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CURRICULUM VITAE

FRANCESCO SAVERIO CATALIOTTI

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Sommario Dati anagrafici 3

Studi 3

Carriera 3

Associazioni di ricerca 3

Attività didattica 4

Attività di tutoraggio 5

Attività editoriale e di revisione 5

Organizzazione di conferenze 6

Attività di coordinamento 6

Responsabilità di progetti 7

Attività di ricerca 8

Attività passata (1994-2008) 8

Attività recente (2008 - 2016) 12

Brevetti 15

Pubblicazioni scientifiche su rivista 15

Pubblicazioni scientifiche su libri 23

Atti da scuole e conferenze 24

Libri e pubblicazioni didattiche 28

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Dati anagrafici Nato a Firenze il 4 Marzo 1971 Residente a Firenze in via della Chiesa 63 Nazionalità Italiana Email: francescosaverio.cataliotti@unifi.it

Studi

• Laurea in Fisica 110/110 e lode, 15/07/1994, Università di Firenze.

• Dottorato di Ricerca in Fisica (X ciclo), 24/04/1998, Università di Firenze.

Carriera

• Assegno di Ricerca del Dipartimento di Fisica dell’Università di Firenze

(01/03/1999 - 28/02/2002).

• Ospite Scientifico del Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching, Germania)

(01/09/1998 – 30/06/2000).

• Professore Associato per il settore disciplinare FIS/03 FISICA DELLA MATERIA

della Facoltà di Medicina e Chirurgia dell’Università di Catania

(01/11/2002 – 31/10/2007).

• Professore Associato per il settore disciplinare FIS/03 FISICA DELLA MATERIA

della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Firenze (dal 01/11/2007).

• Professore Ordinario per il settore concorsuale 02/B1 FISICA SPERIMENTALE

DELLA MATERIA del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di

Firenze (dal 01/07/2017).

Associazioni di ricerca

• Associato al Laboratorio Europeo di Spettroscopie Nonlineari (LENS) dal 1994.

• Associato all’Istituto Nazionale di Fisica della Materia (INFM-CNR) dal 1997 al

2009.

• Associato all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) dal 2004.

• Associato all’Istituto Nazionale di Ottica INO-CNR dal 2010.

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Attività didattica

o Lezioni a 2 corsi della Scuola Internazionale di Elettronica Quantistica presso il Centro “Ettore Majorana” di Erice (TP) nel 2002 e nel 2016

o Lezioni alla Scuola “Elementary interactions, trapping and manipulation of atomic and molecular systems” della sezione A dell’INFM presso il Centro per la Cultura Scientifica Villa Orlandi di Capri nel 2001

o Lezione alla Scuola “International Summer School in Quantum Information Processing and Control” a Maynooth (IE) nel 2007

o Lezioni alla Scuola “Asiago Winter School in Quantum Communications”, Asiago nel 2013

o Lezioni alla Scuola “Rydberg Physics and Quantum Information” Obergurgl (AT) nel 2013

Titolare del corso di:

• Per la Scuola Superiore di Catania o Elettrodinamica dall’AA 2003/04 al 2006/7 o Applicazioni delle tecnologie laser dall’AA 2003/04 al 2006/07.

• Per l’Università di Catania o Fisica Generale (9 CFU) per il Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia

dall’AA 2002/03 al 2006/07; o Fisica Applicata (1 CFU) nella Scuola di Specializzazione in Cardiologia

dall’AA 2002/03 al 2006/07; o Fisica (1 CFU) nei Corsi di Laurea in Scienze Infermieristiche e Ostetricia

dall’AA 2002/03 al 2006/07; • Per l’Università di Firenze

o Fisica Generale I (9 CFU) per il Corso di Laurea in Ingegneria Civile AA 2007/08;

o Fisica Generale II (6 CFU) per il Corso di Laurea in Ingegneria Informatica AA 2007/08, AA 2008/09;

o Fisica Generale II (6 CFU) per i Corsi di Laurea in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni AA 2008/09;

o Fisica Generale (12 CFU) per il Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica dall’AA 2008/09 ad oggi

o Sensoristica Avanzata (6 CFU) per i Corsi di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica ed Energetica AA 2009/10, AA 2011/12.

o Sensoristica Avanzata (6 CFU) per il Corso di Laurea in Scienze Fisiche e Astrofisiche AA 2012/13, AA 2014/15.

o Tecnologie Quantistiche (6 CFU) per il Corso di Laurea in Scienze Fisiche e Astrofisiche dall’AA 2015/16.

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Per la Scuola di Ingegneria dell’Università di Firenze:

o Membro della Commissione per la gestione del test OFA (Obblighi Formativi Aggiuntivi)

o Membro del Comitato per la Didattica del Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Per il Laboratorio Europeo di Spettroscopie Nonlineari

o Membro del Collegio dei Docenti dell’International Doctorate in Atomic and Molecular Photonics dell’Università di Firenze

o Responsabile dell’Erasmus Mundus Joint Doctorate “Europhotonics”

Attività di tutoraggio

• 8 Tesi di Laurea di I livello o 6 in Fisica e Astrofisica per l’Università di Firenze o 2 in Ingegneria Meccanica per l’Università di Firenze

• 3 Tesi di Laurea vecchio ordinamento o 2 in Fisica per l’Università di Catania o 1 in Ingegneria Meccanica per l’Università di Firenze

• 3 Tesi Specialistiche o 1 in Fisica per l’Università di Catania o 2 in Ingegneria Meccanica per l’Università di Firenze

• 4 Tesi Magistrali o 3 in Scienze Fisiche e Astrofisiche per l’Università di Firenze o 1 in Ingegneria Meccanica per l’Università di Firenze

• 3 Tesi di Diploma della Scuola Superiore di Catania • 5 Tesi di Dottorato

o 1 in Fisica per l’Università di Catania o 1 in Fisica per l’Università di Firenze o 1 in Atomic and Molecular Photonics per l’Università di Firenze o 1 per l’Erasmus Mundus Joint Doctorate (EMJD) EUROPHOTONICS

(Italia/Germania) o 1 per l’Università di Madrid (Spagna)

Attività editoriale e di revisione

• Membro dell’Editorial Board della rivista European Physical Journal D EDP Sciences

(2003 - 2006) • Membro del Comitato Scientifico della Rivista Il Colle di Galileo FUP (2012 - ) • Revisore per diverse riviste

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o dell’American Physical Society o dell’Optical Society of America o della European Physical Society o della Deutsches Physicalische Gesellschaft

• Revisore nell’ambito dei programmi o VQR, PRIN, FIRB e FIRB Futuro in Ricerca per conto del MIUR o Excellence Initiative della German Research Foundation (DFG) o Consolidator Grant ed Advanced Grant dello European Research Council o European COST Program o Israel Science Foundation (ISF) o Austrian Science Fund (FWF)

Organizzazione di conferenze

• Mid-Term Review Meeting of ATOMCHIPS RTN

Siracusa 14 - 15 Settembre 2006 • Bose-Einstein Condensation 2007 Frontiers in Quantum Gases

St Feliu de Guixols (Spagna) 15 - 20 Settembre 2007 • Frontiers in Atomic Physics

Firenze 9-10 Aprile 2010 • Quantum Information Processing and Communication International Conference

(QIPC 2013), Firenze 30 Giugno – 5 Luglio 2013 • 6th Italian Quantum Information Conference (IQIS)

Como 24 – 26 Settembre 2013

Attività di coordinamento

• Responsabile Scientifico del Laboratorio di Informazione Quantistica della Scuola Superiore di Catania (01/11/2002 - 31/10/2007).

• Membro del Consiglio Direttivo del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non-Lineare (01/09/2004 al 01/09/2007).

• Promotore e Responsabile per conto del LENS del Joint Research Center for Quantum Science and Technology QSTAR (Centro Congiunto fra Max Planck Institute for Quantum Optics, Istituto Italiano di Tecnologia, Università di Firenze e LENS) (2012 - 2016)

• Segretario del Board dello European Group on Atomic Systems (EGAS) dal 2014 • Membro della Giunta del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di

Firenze dal 2016 • Membro dell’Italian Quantum Technology Steering Committee dal 2016 • Rappresentante Italiano per le Tecnologie Quantistiche nel FET Flagship Board of

Funders dal 2016

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Responsabilità di progetti

1. Responsabile italiano del progetto di Research and Training Network (RTN) “Atom

Chips” del VI programma quadro (FP6) della Comunità Europea (2004 - 2008). (231 481 EUR)

2. Responsabile nazionale del progetto “SQUAT” del gruppo V dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) (2004 – 2005) (27 500 EUR)

3. Responsabile nazionale del progetto “SQUAT Super” gruppo V dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) (2006 - 2007) (27 500 EUR)

4. Coordinatore locale del Progetto di Interesse Nazionale “Fenomeni cooperativi in sistemi coerenti della materia condensata e loro realizzazione in dispositivi a chip atomico”. (PRIN2005). (86 880 EUR)

5. Coordinatore Europeo del Progetto “CHIMONO” (STREP) nell’ambito del VII Programma quadro della Comunità Europea (FP7) (2008 – 2011). (3 342 202 EUR)

6. Responsabile Scientifico Italiano, per conto del MIUR, del progetto “CHIST-ERA” (ERANET) e “CHIST-ERA-II” (ERANET) nell’ambito del VII Programma quadro della Comunità Europea (FP7) (2010 – 2015). (9 MEUR budget totale distribuito in 1 call di cui 0,4 MEUR del MIUR)

7. Responsabile locale del Progetto “HYTEQ” Linea 2 del FIRB Futuro in Ricerca 2008 (206 330 EUR)

8. Coordinatore Europeo del Progetto “MALICIA” (STREP) nell’ambito del VII Programma quadro della Comunità Europea (FP7) (2011 – 2014). (3 014 081 EUR)

9. Responsabile Locale del Progetto “QUIE2T” (CA) nell’ambito del VII Programma quadro della Comunità Europea (FP7) (2012 – 2013) (46 573 EUR)

10. Coordinatore locale del Progetto di Interesse Nazionale “Fenomeni quantistici collettivi: dai sistemi fortemente correlati ai simulatori quantistici”. (PRIN2010-2011). (136 177 EUR)

11. Responsabile Nazionale del progetto bilaterale Italia-Serbia “Integrated Atom interferometers” (MAE 2012-2014)

12. Responsabile Nazionale del Progetto “Laboratorio Congiunto LENS-Weizmann” (MIUR 2015) (85 000 EUR)

13. Coordinatore del Progetto “Development and regulation of the University of Belgrade laser-laboratory infrastructure for education and research” (CEI-KEP2017-2018) (584 978 EUR)

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14. Responsabile Scientifico per il CNR del progetto “QuantERA” (ERANET Cofund) nell’ambito del Programma Horizon2020 della Comunità Europea (2016 – 2021) (37 MEUR distribuiti in 1 call di cui 1.5 MEUR del CNR)

Attività di ricerca

L’attività di ricerca prevalentemente di tipo sperimentale e svolta tra il Laboratorio

Europeo di Spettroscopia Non Lineare (LENS) dell’Università di Firenze, il Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) di Garching (Germania) ed il Laboratorio di Informazione Quantistica della Scuola Superiore dell’Università di Catania ha riguardato la fisica degli atomi e delle loro interazioni con la radiazione laser. Essa si può inquadrare in filoni che, partendo da schemi di interazione nonlineare laser-atomo, si sviluppano nella manipolazione delle velocità atomiche, raffreddamento e realizzazione di condensati di Bose Einstein. La manipolazione ottica di questi ultimi ha portato ad indagini di carattere più generale riguardanti problematiche di superfluidità e fenomeni macroscopici coerenti. Più recentemente l’attività ha riguardato le tecniche di micromanipolazione coerente con ampie prospettive che spaziano dal campo della computazione quantistica alla manipolazione meccanica di singole biomolecole alla sensoristica avanzata.

Fra le pubblicazioni si segnalano (5-year IF ad oggi): 1 Science (IF 32.45) 1 Nature Communications (IF 10.74) 11 Physical Review Letters (IF 7.01) 1 Applied Physics Letters (IF 3.79)

6 New Journal of Physics (IF 3.77) 2 Optics Letters (IF 3.39) 1 Annals of Physics (IF 3.09) 12 Physical Review A (IF 2.61)

Secondo il database WoS, complessivamente i miei lavori hanno ricevuto ad oggi 2718

citazioni (29.54 citazioni per lavoro) con un h-index di 23 (researcherID K-4772-2015; orcid.org/0000-0003-4458-7977).

L’attività di ricerca viene di seguito illustrata in dettaglio con riferimento alle

pubblicazioni scientifiche.

Attività passata (1994-2008)

Spettroscopia nonlineare di alta precisione La parte iniziale dell’attività, inizialmente collegata con la tesi di Laurea, è stata

dedicata a studi di spettroscopia nonlineare di alta precisione, in particolare sull'atomo di elio, finalizzata alla misura per via spettroscopica della costante di struttura fine. Durante tale lavoro è stato realizzato un fascio di elio nello stato metastabile che ha portato alla misura assoluta della frequenza della transizione 23S1-33PJ a 389 nm per confronto con lo standard secondario di frequenza costituito dalla transizione a due fotoni 5S-5D nel rubidio a 778 nm. Da tale misura è stato ricavato il “Lamb shift” del livello 23S1 dell’elio con una accuratezza di due ordini di grandezza migliore delle previsioni teoriche allora disponibili [78]. Nello stesso lavoro è stato tratteggiato un metodo per determinare la costante di struttura fine attraverso la misura della struttura fine di un livello P di tripletto nell’elio. E’ stata poi indagata la possibilità di realizzare tale misura per il livello 23PJ dato che la struttura fine di tale livello è la più grande fra i livelli P. Inoltre la transizione da tale livello al livello metastabile 23S1 a

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1.083 m è copribile con laser a diodo cosa che rende assai più semplice la realizzazione sperimentale [79].

Sempre nel corso della tesi di Laurea, ho individuato la possibilità di utilizzare l’intensa radiazione UV, impiegata per l’elio, per indagare transizioni del cesio note in fisica atomica come anomale per la loro debolezza. E’ stato così possibile non solo osservare le transizioni ma ottenere lo spettro in assenza di allargamento Doppler con tecniche di spettroscopia di saturazione [2]. Questi studi rivestivano particolare interesse in quanto combinabili con un campione di atomi di cesio ultrafreddi che parallelamente era stato sviluppato al LENS (prima trappola magneto-ottica italiana). Le prime misure spettroscopiche in tali campioni di cesio hanno riguardato la spettroscopia a doppia risonanza e sono state misurate le strutture iperfini dei livelli 8S e 6D mettendo in particolare evidenza gli effetti sistematici dovuti alla particolare preparazione del campione atomico freddo [1,80,81]. L’estremo grado di risoluzione offerta da atomi “quasi fermi” ha consentito di individuare fenomeni di spostamento e splitting di livelli che hanno portato all’interesse per la comprensione di fenomeni dovuti all’interazione con sistemi a più livelli e l’apertura di un filone dedicato all’interferenza quantistica.

In seguito durante il soggiorno al MPQ mi sono occupato di alcuni aspetti di spettroscopia nonlineare riportati in [18] dove è descritto un esperimento sugli atomi intrappolati nel fuoco del laser a CO2 durante il quale si sono studiate le transizioni Raman a molti-fotoni in regime pulsato con particolare attenzione alla larghezza delle transizioni osservate. I risultati di questo esperimento offrono nuove prospettive nel campo della microscopia non-lineare con la possibilità di ottenere risoluzione spaziale sufficiente per l’osservazione di nanostrutture tipo quantum-dot inseriti come marker all’interno di biomolecole.

Interferenza quantistica in sistemi atomici a tre livelli La spettroscopia su sistemi atomici a tre livelli, ovvero sistemi atomici nei quali due

campi elettromagnetici interagiscono con due diverse transizioni che hanno un livello in comune, introdotta da Gozzini a Pisa continua a dare luogo a fenomeni particolarmente interessanti e controintuitivi. Ho iniziato ad occuparmi di questo argomento durante il mio Dottorato interessandomi ad atomi di elio, cesio e rubidio. L’elio è stato scelto per la semplicità dei livelli e per la trattabilità teorica e gli esperimenti hanno riguardato la struttura cosiddetta a “ladder” nella quale il livello comune ha energia intermedia e quindi i tre livelli sono disposti in cascata. Importante novità il campione atomico era costituito da una scarica di elio a radiofrequenza, ovvero un ambiente intuitivamente non favorevole per l’osservazione di fenomeni di interferenza quantistica. In effetti non solo è stato osservata la trasparenza indotta elettromagneticamente ma è stato possibile mettere in evidenza per la prima volta sperimentalmente la birifangenza ad essa associata [82,84,3,10].

Con il cesio un primo esperimento ha riguardato lo studio del guadagno senza che tra i livelli coinvolti nella trasizione vi sia inversione di popolazione. Questo fenomeno che può essere osservato solo in presenza di almeno tre livelli atomici ha ampie potenzialità applicative. Si è indagato lo schema denominato a “V” [83] dove il livello intermedio ha energia minima ed è stato messo in particolare evidenza il ruolo della molteplicità dei livelli iperfini fra i quali era realizzato lo schema a “tre livelli” [4].

Gli esperimenti successivi nell’atomo di cesio hanno invece, sfruttato la novità di potere utilizzare per primi un campione raffreddato laser. In tale schema, grazie all’assenza di effetto Doppler, è possibile osservare gli effetti di interferenza quantistica, tipici dei sistemi a tre livelli, al livello della larghezza naturale delle transizioni atomiche. In particolare è stato possibile verificare sperimentalmente, per la prima volta, una delle regole di somma per

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l'ottica non lineare [5]. Tale esperimento è stato condotto nella configurazione “ladder” per minimizzare gli effetti meccanici sul campione raffreddato. Un’altra configurazione nella quale è minimo l’effetto meccanico sul campione e quindi si presta all’indagine in sistemi raffreddati è quella cosidetta a “” nella quale il livello intermedio ha energia massima. In tale schema è possibile l’osservazione di strutture al di sotto della larghezza naturale delle transizioni coinvolte. Grazie alla risoluzione permessa dal campione freddo è stato possibile investigare l’effetto della polarizzazione della luce e della molteplicità dei livelli nella formazione delle strutture di interferenza [7,9]. In questa configurazione l’effetto della luce che attraversa il campione è così ridotto che è stato possibile osservarne lo spettro di assorbimento anche in un condensato di Bose-Einstein [22].

Grazie all’esperienza acquisita con gli esperimenti condotti in campioni raffreddati e in campioni a temperatura ambiente è stato possibile realizzare un nuovo tipo di trappola magneto-ottica nel quale è possibile accumulare atomi ad alta densità [6].

In [15] è descritta una proposta teorica per lo studio della propagazione di impulsi in regime di trasparenza indotta elettromagneticamente attraverso un campione di atomi a temperature prossime alla condensazione di Bose-Einstein. In particolare nella proposta si mette in evidenza come un campione di rubidio sia particolarmente promettente per l’osservazione di velocità di gruppo anomale di alcuni ordini di grandezza superiori a quanto osservato finora. Questo lavoro è stato poi esteso al regime di guadagno senza inversione nel quale è possibile osservare propagazione ritardata in presenza di guadagno [34].

Raffreddamento laser e condensazione di Bose Einstein Mi sono occupato di tecniche di raffreddamento laser e di intrappolamento ottico e

magnetico. Come assegnista di ricerca, ho collaborato alla realizzazione sperimentale di una trappola magneto-ottica per l'isotopo fermionico del potassio partendo da un campione naturale di atomi di potassio. In tale campione l’abbondanza dell’isotopo fermionico è dell’ordine di una parte su diecimila. Grazie alla selettività del processo di intrappolamento magneto-ottico è comunque possibile l’osservazione di un campione raffreddato [8].

Sono stato uno dei componenti di un esteso programma di ricerca per la realizzazione della condensazione di Bose Einstein inizialmente con atomi di potassio. Entrambi gli isotopi bosonici del potassio sono stati intrappolati in un sistema a doppia trappola magneto-ottica che consente di separare la fase di accumulo degli atomi da quella di studio [12]. E’ stata studiata la teoria del raffreddamento laser del potassio e si è fatto il confronto con i risultati sperimentali [11]. A partire dal sistema a doppia trappola magneto-ottica si è poi realizzata una trappola magnetica nella quale sono state studiate le collisioni ultrafredde fra atomi di potassio e il raffreddamento evaporativo nell’ottica di una possibile realizzazione della degenerazione quantistica per tutti e tre gli isotopi del potassio [87].

L’apparato realizzato per il potassio, dimostrati i limiti offerti da questo atomo prima inesplorato, è stato quindi utilizzato per la prima realizzazione sperimentale in Italia di un condensato di Bose-Einstein di atomi di rubidio. La densità atomica ottenuta offriva un campione, unico all’epoca, per lo studio di fenomeni di eccitazioni collettive in regime di Thomas-Fermi [14].

L’apparato BEC costituisce la base per lo sviluppo del successivo filone di esperimenti di manipolazione ottica nei quali è stato studiato lo scattering elastico di impulsi luminosi su condensati di Bose-Einstein. Questi esperimenti hanno portato a mettere in evidenza l’effetto del moto del condensato di Bose-Einstein sulla decoerenza nello scattering superradiante [28,29]. E’ stato inoltre condotto uno studio sistematico dell’emersione del regime di oscillazione di Rabi dallo scattering superradiante [32]. Da queste osservazioni sperimentali è

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poi scaturita una proposta teorica per la realizzazione di uno specchio basato su di una struttura fotonica di atomi condensati [48].

Nell’ambito della manipolazione ottica ho successivamente realizzato alcuni lavori teorici che, partendo dallo stretto rapporto fra la propagazione non-lineare della radiazione laser in fibre ottiche e la propagazione di condensati di Bose-Einstein in potenziali ottici, hanno portato alla proposta di metodi per la generazione ed il controllo di solitoni in condensati [31,36].

Atomi ultrafreddi e condensati di Bose Einstein in reticoli La familiarità acquisita durante la collaborazione con Max-Planck Institut für

Quantenoptik con le tecniche di intrappolamento ottico mi ha consentito di estendere al condensato realizzato a Firenze l’applicazione di un “reticolo” ottico non dissipativo, realizzato con laser a diodo, aprendo numerose prospettive.

Da una parte l’uso di un potenziale ottico di bassa intensità, quasi una perturbazione del condensato, ha permesso di studiare le proprietà di superfluidità [90] del condensato mettendo in evidenza il carattere locale della velocità critica di rottura della superfluidità [16]. Dall’altra parte, l’impiego di un potenziale ottico molto intenso, tale da costituire una collana di buche di potenziale in cui si formano indipendentemente diversi condensati accoppiati solo per effetto tunnel, ha offerto la possibilità di studiare effetti topologici nella formazione del condensato [20] e la coerenza macroscopica presente nel sistema grazie all’effetto tunnel in un altro lavoro che ha introdotto una delle metodologie più utilizzate per l’analisi della coerenza nei reticoli ottici [19].

Il sistema di condensati accoppiati così realizzato costituisce una catena lineare di giunzioni Josephson, come dimostrato in [17], un risultato questo con notevoli potenzialità interdisciplinari, dalla logica quantistica, alla propagazione nonlineare in sistemi di fibre ottiche, ai sistemi biologici. In effetti a partire da questo risultato sono state realizzate diverse indagini sulla dinamica non-lineare della catena di giunzioni Josephson in particolare concentrandosi sull’insorgere di diverse instabilità [21,97,92]. Di particolare rilievo lo studio sistematico dell’instabilità modulazionale [24].

L’utilizzo di reticoli ottici per la manipolazione di condensati di Bose-Einstein ha anche aperto un nuovo campo di indagine nel nuovissimo settore dell’ottica atomica coerente. In questo campo ho studiato sperimentalmente la realizzazione di alcuni elementi ottici quali interferometri a fasci multipli [93,71] e una struttura originale affine alle lenti di Fresnel [27,95].

I reticoli ottici unidimensionali permettono lo studio di numerosi modelli teorici tipici della fisica dello stato condensato [47]. In questo ambito ho ideato una proposta teorica per l’implementazione di reticoli con condizioni periodiche al contorno che permettono un più stringente confronto fra risultati sperimentali e previsioni teoriche e aprono interessanti prospettive nel campo della computazione quantistica [38].

Computazione e Tecnologie Quantistiche Nel campo della computazione e delle tecnologie quantistiche sono attivo fin dal 1998

durante la collaborazione con il Max-Planck Institut für Quantenoptik. Nell’esperimento condotto in Germania atomi di rubidio erano confinati nel fuoco di un laser a CO2 che ha una lunghezza di emissione molto lontana dalle transizioni dell’atomo di rubidio e quindi permette di creare una trappola non dissipativa. Grazie all’onda stazionaria prodotta riflettendo su se stesso il fascio del laser a CO2 è stato creato un “reticolo” ottico, ovvero una struttura periodica di buche di potenziale costituite dagli antinodi dell’onda stazionaria. Nel caso del

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reticolo creato con la radiazione a 10.6 m emessa dal laser a CO2, la distanza fra le buche di potenziale permette di risolvere otticamente con luce risonante gli atomi intrappolati nei singoli siti reticolari. Tale struttura ha la potenzialità di essere utilizzata per lo studio controllato di fenomeni di logica quantistica. In tale ottica è stato realizzato per la prima volta il controllo dei singoli siti reticolari all’interno del lattice ottico [89,13,88].

La computazione quantistica può anche essere realizzata con fotoni invece che con atomi. In questo campo sono autore di diverse proposte teoriche per la realizzazione di porte logiche quantistiche basate sull’interazione non-lineare fra atomi e fotoni. Queste ricerche prendono l’avvio dal lavoro svolto sull’interferenza quantistica in sistemi atomici a tre livelli e sfruttano le enormi nonlinearità ottenibili in questi sistemi per realizzare un importante modello di porta logica quantistica [26]. Accoppiando queste nonlinearità con le possibilità di manipolazione accurata offerte dagli atomi freddi è possibile realizzare diversi schemi per porte logiche quantistiche [30,33,35].

Anche gli effetti meccanici della radiazione luminosa possono essere sfruttati per la implementazione del calcolo quantistico, questa considerazione mi ha portato all’invenzione di una nuova porta logica quantistica, brevetto depositato a Milano nel 2005.

Attività recente (2008 - 2016)

Nel 2008 mi sono trasferito dall’Università di Catania a quella di Firenze. In questi ultimi anni, partendo dalla mia esperienza passata, in particolar modo connessa con le Tecnologie Quantistiche, ho promosso l’apertura di tre nuove linee sperimentali e la creazione di un centro teorico e di un laboratorio applicativo.

Effetti quantistici ponderomotivi L’interesse per gli effetti optomeccanici della radiazione mi ha portato ad iniziare una

fruttuosa collaborazione con il Professor Francesco Marin dell’Università di Firenze, sviluppando, a partire dal 2008, una serie di interessanti esperienze [46,49,52] con possibili forti ricadute tecnologiche. Per esempio abbiamo realizzato uno specchio micromeccanico che accoppia un’alta riflettività (Finesse di 4 104) con un’eccellente qualità meccanica (fattore di qualità di 105) che può rappresentare un ottimo punto di partenza sia per sensori ultrasensibili che per esperimenti fondamentali [53]. Questo tipo di specchio ed il suo originale sistema di sospensione sono stati ulteriormente migliorati in [55,56] portando poi alla realizzazione di uno stato termico “squeezed” ovvero uno stato nel quale il rumore in una quadratura del campo è ridotto a scapito dell’altra [58]. Questo risultato è un ulteriore passo fondamentale per la realizzazione di sensori quantistici inerziali. Nei lavori più recenti abbiamo continuato a migliorare le prestazioni di questo sensore per poter osservare effetti puramente quantistici [60,61,63,65].

Singoli emettitori quantistici Uno degli obiettivi del progetto Europeo MALICIA, da me coordinato, riguardava la

realizzazione di intefacce quantistiche basate su sistemi atomici a tre livelli Questo tipo di sistemi, sui quali ho estensivamente lavorato fin dalla mia tesi di Dottorato, sono infatti in grado di funzionare da memoria per lo stato quantistico di un singolo fotone.

L’obiettivo di realizzare stati di singolo fotone con le caratteristiche spettrali adatte per essere immagazzinate in un sistema atomico, mi ha portato ad iniziare una collaborazione con la Dottoressa Costanza Toninelli del CNR per lo studio di emettitori quantistici basati su molecole organiche. Questa attività ha avuto inizio nel 2012 e rappresenta uno sforzo

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interdisciplinare che combina esperienze di fisica atomica e molecolare con la fotonica. Abbiamo infatti sviluppato e completamente caratterizzato una sorgente di singoli fotoni indistinguibili basata su singole molecole di Dibenzoterrylene (DBT) immerse in un film sottile (inferiore a 100 nm) di antracene. Con questi emettitori abbiamo realizzato un originale sensore di posizione su scala nanometrica basato sull’accoppiamento fra un singolo emettitore ed un monostrato di grafene [64].

Uno degli aspetti più interessanti nel campo degli emettitori quantistici riguarda la possibilità di accoppiarli fortemente con i modi di una cavità. Il sistema DBT+antracene si presta, in particolare all’accoppiamento con strutture disordinate. In questo campo abbiamo realizzato uno studio teorico che ha portato alla formulazione di una metodologia per l’individuazione di stati “necklace” (cioè stati del campo localizzati accoppiati debolmente) in sistemi bidimensionali [67].

Gli ultimi sviluppi di questa attività, attualmente in corso di pubblicazione, hanno rigurdato la realizzazione di nuovi e più efficienti sistemi di accoppiamento per la raccolta dei fotoni emessi basati su nano-antenne planari e guide d’onda fotoniche.

Controllo Quantistico su Atom Chip Nel periodo trascorso a Catania la mia attività sperimentale si è concentrata sulla

miniaturizzazione delle sorgenti di atomi ultrafreddi sfruttando componenti tipici dell’industria microlettronica. Questo ha portato, al mio ritorno a Firenze, alla realizzazione del primo (e per il momento unico) condensato di Bose-Einstein italiano basato su AtomChip [37,41,51,54].

Su questa piattafoma sperimentale, la più promettente per applicazione tecnologiche degli atomi ultrafreddi, abbiamo sviluppato diversi strumenti orientati al controllo quantistico.

L’implementazione del controllo quantistico richiede due ingredienti basilari. Da una parte la capacità di determinare con dati misurabili lo stato quantistico di un sistema, dall’altra l’abilità di guidare, con parametri sperimentalmente accessibili, la dinamica quantistica del sistema anche in presenza di rumore.

Abbiamo lavorato nella prima direzione dimostrando un originale interferometro atomico a 5 livelli in grado di misurare direttamente la coerenza atomica [57]. Questo interferometro è stato poi utilizzato per la verifica sperimentale del trasferimento di coerenza da una radiazione laser bicromatica ad un sistema atomico [62]. Abbiamo infine risolto il problema della determinazione completa dello stato quantistico del nostro sistema atomico realizzando sperimentalmente un algoritmo tomografico di ricostruzione basato su misure sperimentali facilmente ottenibili. Il nostro schema, realizzato grazie alla completa conoscenza del’Hamiltoniana di evoluzione, permette sia la ricostruzione della matrice densità completa del sistema atomico ma anche del rumore di fase presente nell’apparato sperimentale [66].

Per rispondere alla seconda esigenza abbiamo dimostrato sperimentalmente la capacità di controllare la dinamica quantistica nel nostro sistema atomico applicando una strategia di controllo ottimale al condensato atomico prodotto con l’Atom Chip. Il nostro metodo ci permette di preparare con fidelity prossima ad 1 qualsiasi stato atomico nello spazio di Hilbert che descrive uno stato fondamentale dell’atomo di rubidio [69].

Il risultato più interessante in questa linea di ricerca è stata però la prima realizzazione sperimentale dell’effetto noto come “Quantum Zeno Dynamics”, che si ispira a uno dei famosi paradossi sul movimento di Zenone. Si basa sul fatto che l’osservazione ripetuta dell’assenza di un oggetto da uno stato quantistico gli impedisce di occuparlo, permettendo così di confinarne la dinamica. L’aspetto fondamentale è che la dinamica rimane coerente malgrado l’applicazione di forti perturbazioni, che in generale vengono considerate distruttive

14

per una dinamica quantistica, e dimostra un nuovo metodo per guidare e proteggere l’evoluzione quantistica. In precedenza questa possibilità era stata studiata solo teoricamente. La nostra prima dimostrazione sperimentale apre nuovi scenari sia per la ricerca di base che per nuove applicazioni tecnologiche quantistiche, in particolare per proteggere la delicata evoluzione di un sistema quantistico dall’azione distruttiva dell’ambiente circostante [59].

Joint Research Center for Quantum Science and Technology: QSTAR Per favorire la cooperazione fra istituzioni attive nell’area della scienza e Tecnologie

Quantistiche il 7 aprile 2010 è stato firmato un protocollo di intesa, promosso fra gli altri dal premio Nobel T. W. Haensch, fra l’Università di Firenze, la Max Planck Gesellschaft (MPG) ed il LENS.

Per la realizzazione pratica di questo protocollo ho fortemente contribuito alla stipula di un accordo operativo fra l’Istituto MPQ-Max Planck for Quantum Optics (della MPG), l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), l’Università di Firenze ed il LENS. Al Centro si è immediatamente affiancato l’Istituto Nazionale di Ottica del CNR che ha la propria sede sulla collina di Arcetri.

A seguito di questo accordo ho ricevuto dal Direttore del LENS la responsabilità della gestione operativa del Centro.

L'obiettivo scientifico del Centro, al momento a carattere prevalentemente teorico, è l’esplorazione delle frontiere della scienza quantistica, combinando i metodi e le strategie sviluppate in diversi settori della fisica, tra cui la fisica Atomica, Molecolare ed Ottica e le Nano-scienze. Nei primi 4 anni di attività i ricercatori del Centro hanno pubblicato 66 lavori su riviste internazionali con una media di 7 citazioni per lavoro.

Visible Light Communications Research Laboratory (VisiCoRe) Il mio coinvolgimento didattico nella Scuola di Ingegneria dell’Università di Firenze mi

ha portato ad interessarmi anche di argomenti di ricerca più immediatamente applicativi. In particolare, in collaborazione con l’Ingegner Lorenzo Mucchi del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, ho promosso nel 2016 la creazione di un laboratorio congiunto dedicato alle comunicazioni in luce visibile (VLC). Il recente sviluppo della tecnologia LED (Light Emitting Diodes) sta portando alla completa sostituzione delle fonti luminose basate su lampadine a incandescenza o fluorescenza. I motivi sono principalmente di ordine economico (i LED hanno un costo di produzione molto più basso) e di impatto ambientale (i LED sono energeticamente più efficienti e sono più semplici da smaltire). D’altro canto, essendo i LED essenzialmente componenti elettronici, essi si prestano naturalmente all’integrazione in dispositivi multifunzionali che, accanto alla funzione primaria di sorgente luminosa, possano svolgere altri compiti. In questo ambito le VLC rappresentano uno degli sviluppi tecnologici più promettenti. In un dispositivo VLC, essenzialmente, la radiazione luminosa emessa da un LED viene modulata a frequenze invisibili all’occhio umano ma identificabili da un fotorivelatore. Il segnale demodulato trasferisce informazione con una banda potenzialmente di alcuni ordini di grandezza superiore a quanto permesso dai dispositivi WiFi, con l’ulteriore vantaggio di non introdurre alcun tipo di inquinamento elettromagnetico aggiuntivo, dato che la portante del segnale è la stessa radiazione luminosa.

Il laboratorio VisiCoRe è costituito da due organi dell’Università di Firenze, il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DINFO) e il Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non Lineare (LENS). Gli altri partner sono: l’Istituto Nazione di Ottica del CNR, lo CNIT e il PIN scrl. Partner ulteriori, anche industriali, si potranno aggiungere in seguito.

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Il primo risultato della collaborazione è stato lo sviluppo, in collaborazione con la ditta ILES di Prato, di un dispositivo semaforico in grado di trasmettere informazioni in VLC. Il dispositivo è stato presentato dall’Università di Firenze all’edizione 2016 della MakerFaire di Roma.

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Da Web of Science

12/2016

Brevetti Invenzione di una “PORTA LOGICA QUANTISTICA” in collaborazione con

Gianpiero Cattaneo e Roberto Leporini dell’Università di Milano Bicocca. Domanda depositata con numero MI2005A002142.

Pubblicazioni scientifiche su rivista 1 “Optical double-resonance spectroscopy of trapped Cs atoms: hyperfine structure of

the 8s and 6d excited states” C. Fort, F.S. Cataliotti, P. Raspollini, G. M. Tino, and M. Inguscio Zeitschrift für Physik D 34, 91 (1995)

2 “Doppler-free excitation of the weak 6S1/2 - 8P1/2 cesium transition at 389 nm”

F.S. Cataliotti, C. Fort, F.S. Pavone and M. Inguscio Zeitschrift für Physik D 38, 31 (1996)

3 “Birefringence in Electromagnetically Induced Transparency”

F.S. Pavone, G. Bianchini, F.S. Cataliotti, T.W. Hänsch, M. Inguscio Optics Letters , 22, 736 (1997)

16

4 “Gain Without Inversion on the Cesium D1 line”

C. Fort, F.S. Cataliotti, T.W. Hänsch, M. Inguscio, M. Prevedelli Optics Communications, 139, 31 (1997)

5 “Electromagnetic Induced Transparency in Cold Free Atoms: Test of a Sum Rule

for Nonlinear Optics” F.S. Cataliotti, C. Fort, T.W. Hänsch, M. Inguscio, M. Prevedelli Physical Review A, 56, 2221 (1997)

6 “Temperature Selective Trapping of Atoms in a Dark State by means of Quantum

Interference” C. Fort, F.S. Cataliotti, M. Prevedelli and M. Inguscio Optics Letters, 22, 1107 (1997).

7 “Full resolution of the Autler-Townes Zeeman multiplet for cold cesium atoms in a

three level Λ-type configuration” F. S. Cataliotti, C. Fort, M. Prevedelli, M. Inguscio Canadian Journal of Physics 75, 767 (1997)

8 “Magneto-optical trapping of fermionic potassium atoms”

F.S. Cataliotti, E.A. Cornell, C. Fort, M. Inguscio, F. Marin, M. Prevedelli, L. Ricci, and G. M. Tino Physical Review A 57, 1136 (1998)

9 “Coherence effects in cold cesium atoms”

F. S. Cataliotti, C. Fort, M. Prevedelli, and M. Inguscio Phisica Scripta T98, 19 (1998)

10 “Electromagnetically induced transparency in a RF discharge”

F. S. Pavone, M. Artoni, G. Bianchini, P. Cancio, F.S. Cataliotti, and M. Inguscio European Physical Journal D 1, 85 (1998)

11 “Cooling mechanisms in potassium magneto-optical traps”

C. Fort, A. Bambini, L. Cacciapuoti, F. S. Cataliotti, M. Prevedelli, G. M. Tino and M. Inguscio European Physical Journal D 3, 113 (1998)

12 “Trapping and cooling of potassium isotopes in a double-MOT apparatus”

M. Prevedelli, F. S. Cataliotti, E. A. Cornell, J. R. Ensher, C. Fort, L. Ricci, G. M. Tino and M. Inguscio Physical Review A 59, 886 (1999)

13 “Resolving and Addressing Atoms in Individual Sites of a CO2-Laser Optical

Lattice” R. Scheunemann, F. S. Cataliotti, T. W. Hänsch, and M. Weitz Physical Review A (Rapid Communication) 62, 051801(R) (2000)

17

14 “Collective excitations of a 87Rb Bose condensate in the Thomas-Fermi regime” C. Fort, M. Prevedelli, F. Minardi, F. S. Cataliotti, L. Ricci, G. M. Tino and M. Inguscio Europhysics Letters 49, 8, (2000)

15 “Highly anomalous group velocity of light in an ultracold atomic gas”

M. Artoni, G. La Rocca, F. S. Cataliotti, F. Bassani. Physical Review A 63, 023805, (2001)

16 “Superfluid and dissipative dynamics of a Bose-Einstein condensate in a periodic

optical potential” S. Burger, F. S. Cataliotti, C. Fort, F. Minardi, M. Inguscio, M. L. Chiofalo, M. Tosi Physical Review Letters 86, 4447 (2001)

17 “Josephson Junction Arrays with Bose Einstein Condensates”

F. S. Cataliotti, S. Burger, C. Fort, F. Minardi, P. Maddaloni, A. Trombettoni, A. Smerzi, M. Inguscio. Science 293, 843 (2001)

18 “Super resolution of pulsed multiphoton Raman transitions”

F. S. Cataliotti, R. Scheunemann, T. W. Hänsch, and M. Weitz Physical Review Letters 87, 113601 (2001).

19 “Expansion of a coherent array of Bose Einstein condensates”

P. Pedri, L. Pitaevskii, S. Stringari, C. Fort, S. Burger, F. S. Cataliotti, P. Maddaloni, F. Minardi, M. Inguscio. Physical Review Letters 87, 220401 (2001).

20 “Quasi 2D Bose Einstein condensation in an optical lattice”

S. Burger, F. S. Cataliotti, C. Fort, F. Minardi, P. Maddaloni and M. Inguscio. Europhysics Letters 57, 1 (2002)

21 “Dynamics of a Bose-Einstein condensate at finite temperature in an atom optical

coherence filter” F. Ferlaino, P. Maddaloni, S. Burger, F. S. Cataliotti, C. Fort, M. Modugno and M. Inguscio Physical Review A (Rapid communication) 66, 011604(R) (2002).

22 “Electromagnetically induced transparency in a Bose-Einstein condensate”

V. Ahufinger, R. Corbalàn, F. S. Cataliotti, S. Burger, F. Minardi, C. Fort Optics Communications 211, 159 (2002).

23 “Dynamical or Landau instability? Reply”

S. Burger, F. S. Cataliotti, C. Fort, F. Minardi, M. Inguscio, M. L. Chiofalo, and M. P. Tosi Physical Review Letters 89, 088902 (2002).

24 “Superfluid current disruption in a chain of weakly coupled Bose-Einstein Condensates” F. S. Cataliotti, L. Fallani, F. Ferlaino, C. Fort, P. Maddaloni, M. Inguscio. New Journal of Physics 5, 71 (2003).

18

25 “Collective excitations of a trapped Bose-Einstein condensate in the presence of a 1D

optical lattice” C. Fort, F. S. Cataliotti, L. Fallani, F. Ferlaino, P. Maddaloni, M. Inguscio Physical Review Letters 90, 140405 (2003)

26 “Polarization qubit phase gate in driven atomic media”

C. Ottaviani, D. Vitali, M. Artoni, F. S. Cataliotti, P. Tombesi Physical Review Letters 90, 197902 (2003)

27 “Optically-induced lensing effect on a Bose-Einstein condensate expanding in a moving lattice” L. Fallani, F. S. Cataliotti, J. Catani, C. Fort, M. Modugno, M. Zawada, M. Inguscio Physical Review Letters 91, 240405 (2003).

28 “Superradiant light scattering from a moving Bose–Einstein condensate”

R. Bonifacio, F. S. Cataliotti, M. Cola, L. Fallani, C. Fort, N. Piovella, M. Inguscio. Optics Communications 233,155 (2004)

29 “Decoherence effects in superradiant light scattering from a moving Bose-Einstein

condensate” R. Bonifacio, F. S. Cataliotti, M. Cola, L. Fallani, C. Fort, N. Piovella, M. Inguscio. Journal of Modern Optics 51, 785 (2004).

30 “Polarization phase gate with a tripod atomic system”

S. Rebic, D. Vitali, C. Ottaviani, P. Tombesi, M. Artoni, F.S. Cataliotti, and R. Corbalan. Physical Review A 70, 032317 (2004)

31 “Controlling potential traps for filtering solitons in Bose_Einstein Condensates”

R. Fedele, P. K. Shukla, S. De Nicola, M. A. Manko, V.I. Manko, and F.S. Cataliotti JETP Letters 80, 535 (2004).

32 “From superradiant Rayleigh scattering to Bragg scattering”

L. De Sarlo, R. Saers, S. Bartalini, F.S. Cataliotti, L. Fallani, C. Fort, I. Herrera, and M. Inguscio. European Physical Journal D 32, 167 (2005).

33 “A Proposal for an Optical Implementation of an Universal Quantum Phase Gate”

S. Rebic, D. Vitali, C. Ottaviani, P. Tombesi, M. Artoni, F.S. Cataliotti, and R. Corbalan. International Journal of Quantum Information 3, 245-250 (2005).

34 “Slow light amplification in a non-inverted gain medium”

F. Caruso, I. Herrera, S. Bartalini and F. S. Cataliotti Europhysics Letters 69, 938 (2005).

35 “Quantum theory of a polarization phase-gate in an atomic tripod configuration”

S. Rebic, D. Vitali, C. Ottaviani, P. Tombesi, M. Artoni, F.S. Cataliotti, and R. Corbalan Optics and Spectroscopy 99, 264 (2005).

19

36 “A Method for Filtering and Controlling Soliton States of Bose-Einstein

Condensates” R. Fedele, P. K. Shukla, S. De Nicola, M.A. Man'ko, V.I. Man'ko and F.S. Cataliotti Physica Scripta T116, 10 (2005).

37 “Full characterization of the loading of a Magneto-Optical Trap from an alkali metal

dispenser” S. Bartalini, I. Herrera, G. D’Arrigo, L. Consolino, N. Marino, L. Pappalardo and F.S. Cataliotti European Physical Journal D 36, 101 (2005).

38 “Quantum Many Particle Systems in Ring-Shaped Optical Lattices”

L. Amico, A. Osterloh and F.S. Cataliotti Physical Review Letters 95, 063201 (2005).

39 “Dynamics of Bloch Matter Waves and Its Breakdown: a Bose–Einstein Condensate

in a Moving 1D Optical Lattice” C. Fort, F. S. Cataliotti, J. Catani, L. De Sarlo, L. Fallani, J. E. Lye, M. Modugno, R. Saers, and M. Inguscio. Laser Physics 15, 447 (2005).

40 “Collective atomic recoil in a moving Bose-Einstein condensate: From superradiance

to Bragg scattering” L. Fallani, C. Fort, N. Piovella, M. Cola, F. S. Cataliotti, M. Inguscio, R. Bonifacio. Physical Review A 71, 033612 (2005).

41 “Magnetic microtraps for quantum control”

I. Herrera, G. D’Arrigo, M. Siciliani de Cumis, F. S. Cataliotti International Journal of Quantum Information 5, 23-31 (2007)

42 “Modeling the dynamics of a weakly coupled chain of quantum systems”

F. S. Cataliotti, L. Fallani, F. Ferlaino, C. Fort, P. Maddaloni, M. Inguscio. New Journal of Physics 10th Anniversary Highlights 14 (2008)

43 “Macroscopic Quantum Entanglement in Light Reflection from Bose-Einstein

Condensates” F. De Martini, F. Sciarrino, N. Spagnolo, C. Vitelli, F. S. Cataliotti International Journal of Quantum Information 7, 171-177 (2009)

44 “Matter wave explorer of gravity (MWXG)” W. Ertmer, C. Schubert, T. Wendrich, M. Gilowski, M. Zaiser, T. von Zoest, E. Rasel, CJ Borde, A. Clairon, P. Laurent, P. Lemonde, G. Santarelli, W. Schleich, F.S. Cataliotti, M. Inguscio, N. Poli, F. Sorrentino, G. Modugno, G.M. Tino, P. Gill, H. Klein, H. Margolis, S. Reynaud, C. Salomon, A. Lambrech, E. Peik, C. Jentsch, U. Johann, A. Rathke, P. Bouyer, L. Cacciapuoti, P. De Natale, B. Christophe, B. Foulon, P. Touboul, L. Maleki, N. Yu, S. G. Turyshev, J.D. Anderson, F. Schmidt-Kaler, R. Walser, J. Vigue, M. Buchner, M.-C. Angonin, P. Delva, P. Tourrenc, R. Bingham, B. Kent, A. Wicht, L.J. Wang, K. Bongs, H. Dittus, C. Lammerzahl, S.Theil, K. Sengstock, A. Peters, T. Muller,

20

M. Arndt, L. Iess, F. Bondu, A. Brillet, E. Samain, M. L. Chiofalo, F. Levi, D. Calonico. Experimental Astronomy 23(2), 611-649, (2009).

45 “Quantum Physics Exploring Gravity in the Outer Solar System: the SAGAS

project” P. Wolf, Ch. J. Borde, A. Clairon, L. Duchayne, A. Landragin, P. Lemonde, G. Santarelli, W. Ertmer, E. Rasel, F.S. Cataliotti, M. Inguscio, G.M. Tino, P. Gill, H. Klein, S. Reynaud, C. Salomon, E. Peik, O. Bertolami, P. Gil, J. Paramos, C. Jentsch, U. Johann, A. Rathke, P. Bouyer, L. Cacciapuoti, D. Izzo, P. De Natale, B. Christophe, P. Touboul, S.G. Turyshev, J.D. Anderson, M.E. Tobar, F. Schmidt-Kaler, J. Vigue, A. Madej, L. Marmet, M-C. Angonin, P. Delva, P. Tourrenc, G. Metris, H. Muller, R. Walsworth, Z.H. Lu, L. Wang, K. Bongs, A. Toncelli, M. Tonelli, H. Dittus, C. Lammerzahl, G. Galzerano, P. Laporta, J. Laskar, A. Fienga, F. Roques, K. Sengstock Experimental Astronomy 23(2), 651-687, (2009)

46 “Radiation pressure excitation and cooling of a cryogenic micro-mechanical systems

cavity” M. Siciliani de Cumis, A. Farsi, F. Marino, G. D'Arrigo, F. Marin, F.S. Cataliotti, E. Rimini Journal of Applied Physics 106(1), 013108, (2009).

47 “Hidden order in bosonic gases confined in one dimensional optical lattices”

L. Amico, G. Mazzarella, S. Pasini and F.S. Cataliotti New Journal of Physics 12, 013002, (2010).

48 “Coherent Scattering of a Multiphoton Quantum Superposition by a Mirror BEC”

F. De Martini, F. Sciarrino, C. Vitelli, and F. S. Cataliotti Physical Review Letters 104, 050403, (2010).

49 “Classical signature of ponderomotive squeezing in a suspended mirror resonator”

F. Marino, F. S. Cataliotti, A. Farsi, M. Siciliani de Cumis, and F. Marin Physical Review Letters 104, 073601 (2010).

50 “Experimental perspectives for systems based on long-range interactions”

R. Bachelard, T. Manos, P. de Buyl, F. Staniscia, F. S. Cataliotti, G. De Ninno, D. Fanelli and N. Piovella Journal of Statistical Mechanics P06009 (2010).

51 “Degenerate Quantum Gases Manipulation on Atom-chips” I. Herrera, J. Petrovic, P.Lombardi, S. Bartalini and F.S. Cataliotti Physica Scripta T149, 014002 (2012).

52 “Inhomogeneous mechanical losses in micro-oscillators with high reflectivity coating” E. Serra, F.S. Cataliotti, F. Marin, F. Marino, A. Pontin, G.A. Prodi, and M. Bonaldi Journal of Applied Physics 111, 113109 (2012).

53 “A “low-deformation mirror” micro-oscillator with ultra-low optical and mechanical losses”

21

E. Serra, A. Borrielli, F.S. Cataliotti, F. Marin, F. Marino, A. Pontin, G.A. Prodi, M. Bonaldi Applied Physics Letters 101 (7), 071101-071101-4 (2012).

54 “Control of a Bose-Einstein condensate on a chip by external optical and magnetic potentials” A. Maluckov, J. Petrovic, G. Gligoric, L. Hadzievski, P. Lombardi, F. Schafer, F.S. Cataliotti. Annals of Physics 327(9), 2152-2165 (2012).

55 “Ultralow-dissipation micro-oscillator for quantum optomechanics” E. Serra, A. Borrielli, F. S. Cataliotti, F. Marin, F. Marino, A. Pontin, G. A. Prodi, and M. Bonaldi. Physical Review A 86, 051801(R) (2012).

56 “Fabrication of low loss MOMS resonators for quantum optics experiments” E. Serra, A. Bagolini, A. Borrielli, M. Boscardin, F. S. Cataliotti, F. Marin, F. Marino, A. Pontin, G. A. Prodi, M. Vannoni, M. Bonaldi Journal of Micromechanics and Microengineering 23 (8), 085010 (2013)

57 “A multi-state interferometer on an atom chip”

J. Petrovic, I. Herrera, P. Lombardi, F. Schaefer, F. S. Cataliotti New Journal of Physics 15 (4), 043002 (2013)

58 “Squeezing a Thermal Mechanical Oscillator by Stabilized Parametric Effect on the

Optical Spring” A. Pontin, M. Bonaldi, A. Borrielli, F. S. Cataliotti, F. Marino, G. A. Prodi, E. Serra, and F. Marin Physical Review Letters 112, 023601 (2014)

59 “Experimental realization of quantum zeno dynamics”

F. Schaefer, I. Herrera, S. Cherukattil, C. Lovecchio, F.S. Cataliotti, F. Caruso and A. Smerzi Nature Communications 5:3194 DOI: 10.1038/ncomms4194 (2014)

60 “Detection of weak stochastic force in a parametrically stabilized micro opto-mechanical system” A. Pontin, M. Bonaldi, A. Borrielli, F. S. Cataliotti, F. Marino, G. A. Prodi, E. Serra, F. Marin Physical Review A 89, 023848 (2014)

61 “Design of silicon micro‑ resonators with low mechanical and optical losses for quantum optics experiments” A. Borrielli, M. Bonaldi, E. Serra, A. Bagolini, P. Bellutti, F. S. Cataliotti, F. Marin, F. Marino, A. Pontin, G. A. Prodi, G. Pandraud, P. M. Sarro, G. Lorito · T. Zoumpoulidis Microsystem Technologies DOI 10.1007/s00542-014-2078-y (2014)

62 “Reading the phase of a Raman excitation with a multi-state atomic interferometer”

P. Lombardi, F. Schaefer, I. Herrera, S. Cherukattil, J. Petrovic, C. Lovecchio, F. Marin, and F. S. Cataliotti.

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Optics Express, 22 Issue 16, 19141-19148 (2014) 63 “Frequency noise cancellation in optomechanical systems for ponderomotive

squeezing” A. Pontin, C. Biancofiore, E. Serra, A. Borrielli, F. S. Cataliotti, F. Marino, G. A. Prodi, M. Bonaldi, F. Marin, D. Vitali Physical Review A 89, 033810 (2014)

64 “Single-molecule study for a graphene-based nano position sensor” G. Mazzamuto, A. Tabani, S. Pazzagli, S. Rizvi, A. Reserbat-Plantey, K. Schaedler, G. Navickaite, L. Gaudreau, F. S. Cataliotti, F. Koppens, and C. Toninelli. New Journal of Physics 16, 113007 (2014)

65 “Low-Loss Optomechanical Oscillator for Quantum-Optics Experiments” A. Borrielli, A. Pontin, F. S. Cataliotti, L. Marconi, F. Marin, F. Marino, G. Pandraud, G. A. Prodi, E. Serra, and M. Bonaldi Phys. Rev. Applied 3, 054009 (2015)

66 “Quantum State Reconstruction on an Atom Chip”

C. Lovecchio, S. Cherukatti, B. Cilenti, I. Herrera, F. S. Cataliotti, S. Montangero, T. Calarco and F. Caruso New J. Phys. 17, 093024, (2015)

67 “Necklace State Hallmark in Disordered 2D Photonic Systems” F. Sgrignuoli, G. Mazzamuto, N. Caselli, F. Intonti, F. S. Cataliotti, M. Gurioli, and C. Toninelli ACS Photonics 2, 1636 (2015); DOI:10.1021/acsphotonics.5b00422

68 “Robust luminescence of the silicon-vacancy center in diamond at high temperatures” S. Lagomarsino, F. Gorelli, M. Santoro, N. Fabbri, A. Hajeb, S. Sciortino, L. Palla, C. Czelusniak, M. Massi, F. Taccetti, L. Giuntini, N. Gelli, D. Yu Fedyanin, F. S. Cataliotti, C. Toninelli and M. Agio AIP Advances 5, 127117 (2015); http://dx.doi.org/10.1063/1.4938256

69 “Optimal preparation of quantum states on an atom-chip device” C. Lovecchio, F. Schäfer, S. Cherukattil, M. Alì Khan, I. Herrera, F. S. Cataliotti, T. Calarco, S. Montangero, and F. Caruso Phys. Rev. A 93, 010304(R) (2016)

70 “Stochastic quantum Zeno by large deviation theory” S. Gherardini, S. Gupta, F. S. Cataliotti, A. Smerzi, F. Caruso and S. Ruffo New J. Phys. 18 013048 (2016) doi:10.1088/1367-2630/18/1/013048

71 “Ergodicity in randomly perturbed quantum systems”

S. Gherardini, C. Lovecchio, M. M. Mueller, P. Lombardi, F. Caruso and F. S. Cataliotti Quantum Sci. Technol. 2, 015007 (2017)

23

72 “Beaming light from a quantum emitter with a planar optical antenna” S. Checcucci, P. Lombardi, S. Rizvi, F. Sgrignuoli, N. Gruhler, F.B.C. Dieleman, F.S. Cataliotti, W.H.P. Pernice, M. Agio and C. Toninelli Light: Science & Applications 6, e16245 (2017) doi:10.1038/lsa.2016.245

Pubblicazioni scientifiche su libri

73 “From Atom to single bio-molecules through Bose-Einstein Condensate”

F. S. Cataliotti, S. Burger, P. De Natale, C. Fort, G. Giusfredi, M. Inguscio, F. Minardi, P. Cancio Pastor, F. Pavone Laserphysics at the limits H. Figger, D. Meschede, C. Zimmermann Eds., Springer Verlang, Heidelberg-Berlin-New York (2001).

74 “Lasers Spectroscopy”

S. Chu, F.S. Cataliotti Encyclopedia of Physics R.G. Lerner and G. L. Trigg Eds. Wiley-VCH (2005).

75 “The Gross-Pitaevskii equations and beyond for inhomogeneous condensed bosons”

G. G. N. Angilella, S. Bartalini, F. S. Cataliotti, I. Herrera, N. H. March, R. Pucci, Trends in Boson Research A.V. Ling Ed. Nova Science, New York, (2005).

76 “Franco Bassani the Atomic Physicist”

F.S. Cataliotti, M. Inguscio and T.W. Haensch Giuseppe Franco Bassani Uomo e Scienziato G. Grosso and G. La Rocca eds. SIF (2010).

77 “Laser cooling and Bose Einstein condensation of potassium isotopes” F. S. Cataliotti, C. Fort, M. Inguscio, F. Minardi, G. Modugno, G. M. Tino From Lamb dip to BEC E. Arimondo, M. Mazzoni, R. Vallauri eds. CNR edizioni (2012).

78 “Quantum Coherence: from atoms, to solids, microchips and beyond” M. Artoni, F.S. Cataliotti From Lamb dip to BEC E. Arimondo, M. Mazzoni, R. Vallauri eds. CNR edizioni (2012).

79 “A Multi-State Interferometer on an Atom Chip”

F. S. Cataliotti, C. Lovecchio, M. S. Cherukattil, P. Lombardi, L. Pezze, A. Smerzi, G. Gligoric, A. Maluckov, J. Petrovic Serbia – Italia - Italian - Serbian Cooperation on Science, Technology and Humanities

24

Edited by P. R. Andjus and P. Battinelli (2015) ISBN 978-86-7522-048-0 Printed by: SIGRa star, Belgrade

Atti da scuole e conferenze

80 “Recent Developments in Laser Spectroscopy of Helium”

M. Inguscio, F. S. Cataliotti, P. De Natale, G. Giusfredi, F. Marin, and F.S. Pavone, Atomic Physics XIV, D.J. Wineland, C.E. Wiemann and S.J. Smith Eds. pag. 81 The American Institute of Physics AIP, New York (1995)

81 “High Precision Spectroscopy of Helium Atom at 1083 nm: Towards a

Determination of the Fine Structure Constant α” F.S. Pavone, G. Bianchini, P. Cancio, F.S. Cataliotti, G. Giusfredi, M. Prevedelli and M. Inguscio Laser Spectroscopy Twelfth International Conference (TWICOLS '95) M. Inguscio, M. Allegrini, A. Sasso, Eds pag. 96 World Scientific Publishing (1995)

82 “Optical double-resonance spectroscopy of Cesium atoms in a Magneto-Optical

Trap” C. Fort, F.S. Cataliotti, P. Raspollini, G. M. Tino, M. Inguscio Laser Spectroscopy Twelfth International Conference (TWICOLS '95) M. Inguscio, M. Allegrini, A. Sasso, Eds. pag. 158 World Scientific Publishing (1995)

83 “A new generation of light sources for applications in spectroscopy”

M. Inguscio, F.S. Cataliotti C. Fort, F.S. Pavone, M. Prevedelli Atomic Physics methods in modern research, K. Jungmann, J. Kowalski, I. Reinhard, F. Träger, Eds., pag. 245 Springer Verlag, New York, (1996)

84 “Lineshapes for a pure three level system: quantum coherence effects on absorption

and birefringence of helium” F.S. Pavone, F. Bassani, G. Bianchini, P. Cancio, F.S. Cataliotti, T.W. Hänsch, and M. Inguscio. Thirteenth International Conference on Spectral Line Shapes M. Zoppi, L. Ulivi, Eds., Vol. 9 pag. 255 The American Institute of Physics Press AIP New York (1996)

85 “Non inverted gain lineshapes of the cesium resonance transition at 894 nm” F. S. Cataliotti, C. Fort, M. Prevedelli, T.W. Hänsch, M. Inguscio Thirteenth International Conference on Spectral Line Shapes M. Zoppi, L. Ulivi, Eds, Vol. 9 pag.261 The American Institute of Physics Press AIP New York (1996)

86 “Electromagnetic Induced Transparency and Birefringence in a Radio Frequency

Discharge”

25

M. Artoni, G. Bianchini, F. S. Cataliotti, M. Inguscio and F.S. Pavone Laser Spectroscopy XIII International Conference Z. Wang, Z. Zhang, Y. Wang, Eds pag. 328 World Scientific Publishing Singapore (1998)

87 Cooling and Trapping of Potassium F.S. Cataliotti, E.A. Cornell, J.R. Ensher, C. Fort, M. Inguscio, M. Prevedelli, L.Ricci, G.M. Tino. Quantum Electronics Conference, EQEC, pag. 33-33 (1998)

88 “Optical and Magnetic Trapping of Potassium 39” J. Ensher, E Cornell, F.S. Cataliotti, C. Fort, F. Marin, M. Prevedelli, M. Inguscio, L. Ricci, G. Tino. APS Division of Atomic, Molecular and Optical Physics Meeting Abstracts (1998)/5

89 “Towards quantum degeneracy of bosonic and fermionic potassium atoms”

F. S. Cataliotti, E. A. Cornell, C. Fort, M. Inguscio, M. Prevedelli, and G.M. Tino Proceedings of the International School of Physics "Enrico Fermi" Course CXL Bose-Einstein Condensation in Atomic Gases M. Inguscio, S. Stringari, C. E. Wieman, Eds. IOS Press Amsterdam (1999)

90 “An optical lattice with single lattice site optical control for quantum engineering” R. Scheunemann, F. S. Cataliotti, T. W. Hänsch, and M. Weitz Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics 2, 645 (2000)

91 “Addressing Single Sites of a CO2-Laser Optical Lattice”

F. S. Cataliotti, R. Scheunemann, T. W. Hänsch, and M. Weitz Proceedings of the 27th course of the International School of Quantum Electronics Bose-Einstein Condensates and Atom Lasers S. Martellucci, A.N. Chester, A. Aspect and M. Inguscio eds. KA/PP Publisher (2000)

92 “Coherent Dynamics of Bose Einstein Condensates in a 1D optical lattice” S. Burger, F.S. Cataliotti, C. Fort, P. Maddaloni, F. Minardi and M. Inguscio ICOLS01 XV International Conference on Laser Spectroscopy S. Chu, V. Vuletic, A. J. Kerman and C. Chin eds. World Scientific Publishing (2002)

93 “Quantum Degenerate Bosons and Fermions in a 1d Optical Lattice”

C. Fort, G. Modugno, F.S. Cataliotti, J. Catani, E. de Mirandes, L. Fallani, F. Ferlaino, M. Modugno, H. Ott, G. Roati, M. Inguscio Laser Spectroscopy: Proceedings of the XVI International Conference, Palm Cove, Queensland, Australia, 13-18 July 2003

94 “Bose-Einstein Condensates in a 1-D Optical Lattice”

S. Burger, F.S. Cataliotti, F. Ferlaino, C. Fort, P. Maddaloni, F. Minardi and M. Inguscio Proceedings of the International School of Physics "Enrico Fermi" Course CXLVIII Experimental Quantum Computation and Information

26

F. De Martini, C. Monroe Eds., IOS Press Amsterdam (2003)

95 “Long range coherence in Bose-Einstein Condensates”

F. S. Cataliotti Quantum Computing and Quantum Bits in Mesoscopic Systems A. Legget, B. Ruggiero, P. Silvestrini Eds. KA/PP Publishers (2003)

96 “A Multiple Beam Interferometer for Bose-Einstein Condensates” F. S. Cataliotti Fortschritte der Physik 51, 295 (2003).

97 “Coherent atom optics”

F. S. Cataliotti, C. Fort, and M. Inguscio Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 4829, 1080 (2003)

98 “Experimental study on superradiant light scattering from a Bose-Einstein condensate” L. Fallani, C. Fort, F.S. Cataliotti, M. Inguscio Quantum Electronics Conference, EQEC'03. Pag. 285 (2003)

99 “Dynamics of a trapped Bose–Einstein condensate in the presence of a one-

dimensional optical lattice” F. S. Cataliotti, L. Fallani, F. Ferlaino, C. Fort, P. Maddaloni, M. Inguscio, Journal of Optics B 5, S17 (2003).

100“Coherent atom optics“ F.S. Cataliotti, C. Fort, M. Inguscio 19th Congress of the International Commission for Optics: Optics for the .Quality of Life (2003)

101“Generation and Propagation of Coherent Matter Waves”

F. S. Cataliotti, I. Herrera, S. Bartalini, C: Fort, L. Fallani and M. Inguscio Proceedings of the 34th International School of Quantum Electronics Free and guided Optical Beams S. Martellucci, M. Santarsiero Eds. World Scientific (2004)

102“Bosons and Fermions in a 1D optical lattice”

C. Fort, G. Modugno, F. S. Cataliotti, J. Catani, E. De Mirandes, L. Fallani, F. Ferlaino, M. Modugno, H. Ott, G. Roati, M. Inguscio Proceedings of XVI International Conference on Laser Spectroscopy P. Hannaford, A. Sidorov, H. Bachor, K. Baldwin Eds. World Scientific Publishing UK (2004).

103“Ettore Majorana’s legacy to contemporary physics”

R. Pucci, G.G.N. Angilella, F. S. Cataliotti

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Proceedings of the International Conference on Ettore Majorana's legacy and the Physics of the XXI century (Catania 2006), Proceedings of Science.

104“Interferometric quantum sensors” M. Siciliani de Cumis, F. Marino, M. Anderlini, F. S. Cataliotti, F. Marin, E. Rimini, G. D’Arrigo Advances in Science and Technology 55 154-159, (2008)

105“Macroscopic quantum entanglement” FS Cataliotti, F. De Martini, F. Sciarrino, N. Spagnolo, C. Vitelli, Proceedings of the Conference on Quantum Communications and Quantum Imaging VI R.E. Meyers; Y. Shih; K.S. Deacon Eds. SPIE (2008)

106“Interferometric quantum sensors”

M. Siciliani de Cumis, F. Marino, M. Anderlini, F.S. Cataliotti, F. Marin, E. Rimini, G. D'Arrigo, Conference Information: 3rd International Conference on Smart Materials, Structures and Systems, JUN 08-13, 2008 Acireale, ITALY Book Series: Advances in Science and Technology 55, 154-159 (2009)

107“Design strategies of opto-mechanical micro oscillators for the detection of the

ponderomotive squeezing” A Borrielli, M Bonaldi, E Serra, A Bagolini, M Boscardin, F Cataliotti, F. Marin, F Marino, A Pontin, GA Prodi SPIE Microtechnologies, 87632R-87632R-12 (2013)

108“Studio e sperimentazione di un lettore delle torsioni elastiche residue per la produzione di corda in acciaio” F. I. Paternò, G.Zonfrillo, F.S.Cataliotti AIAS – Associazione Italiana per l’Analisi delle Sollecitazioni 42° Convegno Nazionale 11-14 September 2013 Salerno (PREMIO AIAS 2014)

109“Nanometric Surface Probing through Ultra-Cold Atoms” Khan, MA; Schaefer, F; Pernice WHP; Cataliotti F.S. Conference on Nonlinear Optics and Its Applications VIII; and Quantum Optics III (Brussels 14-16 April 2014) Proceedings of SPIE DOI:10.1117/12.2058935

110“Low loss optomechanical cavities based on silicon oscillator” A. Borrielli, A. Pontin, F.S. Cataliotti, L. Marconi, F. Marin, F. Marino, G. Pandraud, G.A. Prodi, E. Serra, M. Bonaldi Conference on Smart Sensors, Actuators, and MEMS VII 1st SPIE Conference on Cyber-Physical Systems (Barcelona 4-6 May 2015) Proceedings of SPIE DOI:10.1117/12.2178821

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Libri e pubblicazioni didattiche Elementi di meccanica e termodinamica M. Bruzzi, F.S. Cataliotti, D. Fanelli Società Editrice Esculapio (I ed. 2010 – II ed. 2012) Esercizi di Fisica Generale – Meccanica F. S. Cataliotti, D. Fanelli, M. Siciliani de Cumis Società Editrice Esculapio (I ed. 2012) Fisica a fumetti, Zio Paperone e il deposito sotterraneo F. Bagnoli, F.S. Cataliotti Nuovo Saggiatore (2009) Joint Research Centre MPQ-UNIFI-IIT-LENS QSTAR - “Quantum Science and Technology in Arcetri” F. S. Cataliotti, A. Smerzi, M. Inguscio Il Colle di Galileo 2(1), 75 (2013) International Conference on Quantum Information Processing and Communication (QIPC) 2013 M. Bellini, F. S. Cataliotti, A. Smerzi Il Colle di Galileo 2(2), 57 (2013) Zeno’s Paradox and Quantum Physics F. S. Cataliotti, A. Smerzi Il Colle di Galileo 3(2), 41 (2013)