Il Centro BEC è nato vent’anni fa grazie alla collaborazione fra il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento e l’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia, in seguito confluito nell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR. Un convegno a Palazzo Prodi ha ripercorso la storia di uno tra i più affascinanti ambiti della fisica, lo studio dei gas atomici ultrafreddi
Vent’anni di ricerca ad altissimo livello in un ambito tra i più affascianti della fisica, la condensazione di Bose-Einstein. La storia del Centro BEC di Trento è costellata di progetti di ricerca, pubblicazioni, riconoscimenti importanti, esperimenti ambiziosi, scienziati illustri in visita e lezioni accademiche. Collaborazioni scientifiche che con gli anni sono diventate amicizie durature. Come quella con Eric Cornell e Wolfgang Ketterle, premi Nobel per la fisica nel 2001 insieme a Carl Wieman, che a Trento sono diventati ormai di casa viste le tante volte che hanno tenuto seminari e convegni con le colleghe e i colleghi trentini. Soprattutto con il fisico Lev Pitaevskii, fisico russo da anni in UniTrento scomparso proprio lo scorso agosto e con Sandro Stringari, artefice della nascita del Centro vent’anni fa e padrone di casa oggi, insieme a Franco Dalfovo, direttore del Dipartimento di Fisica e Iacopo Carusotto, responsabile della sezione di Trento dell’Istituto Nazionale di Ottica, nell’evento organizzato a Palazzo Prodi con tutti i protagonisti di ieri e di oggi per celebrare una ricorrenza piena di ricordi e di significato.
Punto di svolta, vent’anni fa, è stato proprio quel premio Nobel del 2001 per la realizzazione del primo condensato di Bose-Einstein. Affascinante perché diverso da tutto il resto – dai tre stati della materia, solido, liquido e gassoso, che conosciamo – il condensato di Bose-Einstein è costituito da particelle ultrafredde con proprietà del tutto controintuitive. Le particelle che lo compongono mostrano infatti comportamenti quantistici importanti, visibili anche su scala macroscopica. Alcuni atomi (i cosiddetti bosoni) a temperature basse perdono la loro individualità per dare luogo a un comportamento collettivo e "coerente". Si comportano cioè come onde, come un grande sistema quantistico: un po’ come accade alla radiazione elettromagnetica nel laser. Come predetto circa un secolo fa da Satyendra Bose e Albert Einstein, i due scienziati che ne danno il nome, il gas, raffreddato a basse temperature (fino a circa 0,0000001 gradi sopra lo zero assoluto) entra dunque in un nuovo stato della materia in cui tutti gli atomi oscillano all’unisono. Una condizione particolarmente utile per indagare fenomeni quantistici.
La scoperta allora scosse il mondo della fisica e della scienza in generale e oggi sta alla base di molti progressi scientifici e tecnologici di cui possiamo beneficiare. Questa rivoluzione scientifica si è rivelata cruciale anche per il suo carattere interdisciplinare. Combina infatti nozioni di fisica fondamentale (la verifica delle leggi della meccanica quantistica) ad aspetti tecnologici particolarmente innovativi (fisica dei laser, interazione luce-materia, tecniche di vuoto…).
Quando, nel 1996, il gruppo di Trento ha iniziato a studiare questi temi era uno dei punti di riferimento più autorevoli nel campo delle ricerche teoriche non solo in Italia. Da allora ad oggi molta strada è stata fatta e dal 2010 alle ricerche teoriche si è aggiunto un laboratorio sperimentale all’avanguardia sulla scena internazionale, sotto la guida di Gabriele Ferrari.
A partire dal 2018, varie delle attività di ricerca del Centro BEC hanno contribuito a rilanciare un altro ambizioso capitolo di questa storia scientifica, quello legato all’iniziativa Quantum at Trento (Q@TN) il progetto congiunto nato dalla collaborazione tra Università, Fondazione Bruno Kessler, Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), con il sostegno della Provincia autonoma di Trento e della Fondazione Caritro.
Nell’ambito di questa iniziativa, nel laboratorio di atomi ultrafreddi del Centro BEC, , sono stati osservati nuovi fenomeni quantistici simulando materiali magnetici con superfluidi atomici. Un modo nuovo di utilizzare i gas quantistici per sviluppare dispositivi con elevate performance.
Le applicazioni spaziano in ambiti tra loro molto diversi. Oltre alla realizzazione del computer quantistici e del laser atomico, la condensazione di Bose-Einstein può ad esempio essere utile come modello di studio in astrofisica per indagare buchi neri, stelle di neutroni o onde gravitazionali. Può servire allo sviluppo delle nanotecnologie, in generale, alle misurazioni della gravità. E persino per migliorare la precisione degli orologi atomici.
Insieme a Sandro Stringari, Franco Dalfovo e Iacopo Carusotto, a ricordare oggi la storia e le tappe del centro BEC e a immaginare i prossimi passi per il futuro c’erano proprio tutti: autorità del territorio, scienziati, due premi Nobel (Wolfgang Ketterle e, in un messaggio video Eric Cornell), persone che dietro le quinte allora hanno svolto un ruolo importante, ma soprattutto studenti e studentesse, ricercatori e ricercatrici
The BEC Center celebrated its twentieth anniversary
The Centre was established in Trento in 2002. A conference brought together those who helped create it
by Alessandra Saletti
Press Office and External Relations
The BEC center was founded twenty years ago as a joint initiative of the Department of Physics of the University of Trento and the National Institute for Material Physics, which later became part of the National Institute of Optics of the National Research Council. A conference at the Paolo Prodi Building provided the occasion to look back at the history of one of the most fascinating areas of physics, the study of ultracold atomic gases.
The BEC Center has just celebrated twenty years of top level research in one of the most fascinating areas of physics, that of Bose-Einstein condensation. The history of the Center is a collection of research projects, publications, important awards, ambitious experiments, prominent scientists who visited and gave special lectures. Some of these academic relationships turned into long-lasting friendships: that is the case for Eric Cornell and Wolfgang Ketterle, who were awarded the Physics Nobel Prize in 2001 together with Carl Wieman. The two have often been to Trento to hold seminars and conferences with their Trento-based colleagues. In particular, they collaborated with Lev Pitaevskii, the Russian physicist who passed away last year after many years in Trento, and Sandro Stringari, who was among the founders of the center twenty years ago and welcomed the guests at today’s conference with Franco Dalfovo, director of the Department of Physics, and Iacopo Carusotto, head of the Trento section of the National Institute of Optics.
The Nobel Prize awarded, twenty years ago, for the achievement of Bose-Einstein condensation, was the spark for the creation of the center. Bose-Einstein condensates, which are made up of ultracold particles with counterintuitive properties, are different from other states of matter (solid, liquid, gas) and that is what is so fascinating about them. These particles in fact display quantum behaviors, which are also visible on the macroscopic scale. At low temperature, bosons lose their individual character and adopt a collective and coherent behavior. In other words, they move like waves, like a large quantum system: a behavior that is similar to electromagnetic radiation. As Satyendra Bose and Albert Einstein predicted about a century ago, once gas has been cooled down (to 0,0000001 degrees above absolute zero) it enters a new state of matter where all atoms oscillate unanimously. This state is particularly useful for the study of quantum phenomena.
When the discovery was made, it shook the world of physics and science in general, and provided the basis for many scientific and technological advances that we use today. This scientific revolution had such an impact for another reason: it is also highly interdisciplinary. In fact, it combines fundamental physics (to verify the laws of quantum mechanics) with highly innovative technological aspects (laser physics, light-matter interaction, vacuum techniques, etc.).
When, in 1996, the Trento-based physicists started to explore these topics, they were one of the most regarded teams of theoretical physics research in Italy and beyond. A lot of progress has been made since then and, since 2010, in addition to theoretical research, the center opened a top-notch laboratory of international relevance, which is led by Gabriele Ferrari.
Since 2018, several of the BEC center’s research activities helped launch another ambitious project, Quantum at Trento-Q@TN, which involves the University, Fondazione Bruno Kessler, the National Research Council (CNR) and the National Institute of Nuclear Physics (INFN), with support from the Autonomous Province of Trento and Fondazione Caritro.
Within Q@TN, in the ultracold atoms laboratory, researchers were able to observe new quantum phenomena by simulating magnetic materials using atomic super-fluids. A new application of quantum gases to develop high performing devices.
Applications are diverse and include a wide range of sectors. Bose-Einstein condensation led to quantum computers and the atomic laser, but can also be used for example as a model study in astrophysics to investigate black holes, neutron stars and gravitational waves. As well as in the development of nanotechnologies and, in general, to measure gravity. It can even be used to increase the accuracy of atomic clocks.
Many people today joined Sandro Stringari, Franco Dalfovo and Iacopo Carusotto to remember the history of the BEC center and imagine its future: public officials, scientists, two Nobel prize winners (Wolfgang Ketterle attended in person, Eric Cornell sent a video message), people who participated over the years and, most of all, many students and researchers.