Phillips, William Daniel

Phillips, William Daniel

Fisico statunitense, nato a Wilkes-Barre (Pennsylvania) il 5 novembre 1948. Dopo aver conseguito il Ph.D. in fisica presso il Massachusetts Institute of Technology (1976), P. si è trasferito (1978) presso il NBS (National Bureau of Standards, dal 1988 NIST, National Institute of Standards and Technology) di Gaithersburg (Maryland), dove ha svolto importanti ricerche nell'ambito delle misure elettriche di elevatissima precisione e sul raffreddamento e l'intrappolamento magneto-ottico degli atomi. Tale tecnica consente il conseguimento locale di temperature assai vicine allo zero termodinamico, fino ai 180 nK recentemente raggiunti. Per il contributo fornito allo sviluppo di metodi per il raffreddamento degli atomi mediante l'uso di fasci laser, P. ha ottenuto nel 1997 il premio Nobel per la fisica, condiviso con S. Chu della Stanford University (California) e C. Cohen-Tannoudji dell'École normale supérieure di Parigi. Membro della statunitense National Academy of Sciences dal 1997, P. ha ricevuto numerosi altri riconoscimenti, tra i quali si segnalano la Albert A. Michelson Medal del Franklin Institute nel 1996 e l'Arthur L. Schawlow Prize in Laser Science (American Physical Society) nel 1998.

Il raffreddamento e intrappolamento degli atomi, per favorirne lo studio, ha subito importanti progressi verso la fine degli anni Settanta, allorquando si è proposto l'uso del laser, e quindi dell'interazione tra atomi e fotoni, per ridurre la quantità di moto degli atomi stessi. Il meccanismo utilizzato consiste nel far avvenire l'interazione a una frequenza laser di poco inferiore alla frequenza di transizione degli atomi, sfruttando l'effetto Doppler. Il problema più difficile consiste nel modulare la frequenza in modo opportuno durante il raffreddamento. P. e i colleghi del suo gruppo al NIST proposero e attuarono (1985) una tecnica che raggiungeva lo scopo facendo propagare il fascio atomico all'interno di un campo magnetico variabile. Si ottenne così la compensazione tra l'effetto Doppler e lo spostamento Zeeman, causando una transizione atomica costante in frequenza. Secondo i modelli teorici sviluppati a quel tempo, il raffreddamento poteva essere spinto solo fino a un limite (Doppler cooling limit), pari a 240 µK per gli atomi di sodio; tuttavia P. misurò (1988) un valore minore, pari a 40 µK. La spiegazione teorica di tale risultato, dovuta principalmente a Cohen-Tannoudji e Chu, dimostrava che la precedente teoria del Doppler limit si rivelava insoddisfacente in quanto il modello considerava l'atomo dotato di un semplice livello di eccitazione; al contrario, l'introduzione e la considerazione di una più complessa distribuzione di sottolivelli Zeeman permettevano un meccanismo di raffreddamento più spinto. A tale meccanismo è stato dato il nome di raffreddamento di Sisifo, in analogia con il personaggio della mitologia greca. Il nuovo modello teorico prevedeva un ulteriore limite al raffreddamento (recoil limit), riconducibile all'effetto di rinculo subito dall'atomo allorché esso riemette il fotone assorbito. Tale limite fu di nuovo violato dai risultati sperimentali che, raggiungendo temperature minime intorno ai 180 nK, dimostrarono che gli atomi raggruppati in strutture la cui regolarità geometrica è dominata dalla lunghezza d'onda dei fasci laser incidenti (optical lattice), possono entrare in un nuovo stato (materia oscura, ingl. dark matter), che ne impedisce l'interazione fotonica. In tali condizioni di aggregazione si possono raggiungere temperature molto al di sotto del recoil limit. Si realizza la cosiddetta condensazione di Bose-Einstein e gli atomi tendono a comportarsi come un insieme unico, eventualmente assumendo un solo stato quantico.

Uno dei più recenti risultati scientifici di P. riguarda infine la dimostrazione che un optical lattice può causare una diffrazione sui raggi X incidenti del tutto analoga a quella ottenibile nei cristalli. Tale effetto si dimostra essere un ottimo strumento di indagine sulla struttura degli optical lattice man mano che il raffreddamento si fa più spinto. Si è aperta così una nuova promettente branca della fisica, l'ottica atomica, che prevede anche l'introduzione di laser atomici.

Gli studi condotti da P. sono suscettibili di interessantissime applicazioni nella realizzazione di orologi atomici ultraprecisi e di circuiti elettronici di dimensioni nanometriche. Tra i suoi articoli più significativi si ricordano Cooling and trapping atoms, in Scientific american, march 1987, p. 36 (in collab. con H.J. Metcalf), e New mechanisms for laser cooling, in Physics today, october 1990, p. 33 (in collab. con C.N. Cohen-Tannoudji).