Crediti: Image by Kevin Gutowski
Avete mai pensato a quale possa essere la forza più debole che gli strumenti in nostro possesso possano misurare? Finora, in realtà, non c’era mai riuscito nessuno fino a quando un gruppo di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), usando una combinazione di laser e un sistema di intrappolamento ottico unico che fornisce una nube di atomi ultrafreddi. La scoperta è davvero sensazionale: i ricercatori hanno rilevato una forza di circa 42 yoctonewton, un’unità di misura (anzi, una sottounità dello newton) magari sconosciuta ai più ma fondamentale in fisica: è un valore preceduto da ben 24 zeri dopo la virgola ed è questo che rende questa forza così debole.
Lo studio pubblicato su Science fa da apripista a tutta una nuova generazione di misure ultraprecise che potranno essere utilizzate dai fisici in futuro per, ad esempio, verificare l’esistenza delle onde gravitazionali previste dalla teoria della relatività o determinare in quale misura la legge di gravità di Isaac Newton è ancora valida su scala macroscopica. “Abbiamo applicato una forza esterna al movimento del centro di massa di una nube di atomi ultrafreddi in una cavità ottica molto sottile e misurato otticamente il moto che ne è risultato”, ha spiegato Dan Stamper-Kurn, un fisico che collabora con il Berkeley Lab. “Quando la forza motrice è risultata essere in risonanza con la frequenza della nuvola di oscillazione, abbiamo raggiunto una sensibilità coerente con le previsioni teoriche e solo un fattore di quattro al di sopra dello Standard Quantum Limit (SQL), la misura più sensibile che esista in fisica”. Si tratta di un limite imposto dalla fisica al di sotto del quale non è possibile osservare nessun movimento.
Per raccogliere dati su scala microscopica è necessario avere unità di misura e forza eccezionalmente piccole. Al centro di tutti i rivelatori ultrasensibili di forza ci sono gli oscillatori meccanici, sistemi per la traduzione di una forza applicata nel movimento meccanico. Quando, però, si raggiungono alcuni livelli quantici nella sensibilità, tuttavia, urtano contro degli ostacoli, come, appunto, il Limite Quantistico Standard. Nel corso degli ultimi due decenni, una vasta gamma di strategie sono stati dispiegate per arrivare sempre più vicini al SQL, ma mai era stato raggiunto questo risultato. “Abbiamo misurato una forza – ha spiegato Sydney Schreppler – con una precisione altissima, la più vicina mai fatta vicino al limite SQL: abbiamo raggiunto questa sensibilità perché il nostro oscillatore meccanico è composto di soli 1.200 atomi”.
L’esperimento. I ricercatori hanno per prima cosa portato a bassissime temperature (vicino allo zero assoluto) una nube di atomi di rubidio e misurato gli effetti prodotti da una forza esterna, come dare una botta ad un pendolo. I ricercatori si sono dotati poi di una nuova tipologia di sensori con i quali è stato possibile misurare le oscillazioni degli atomi causate da urti debolissimi, fino ad appena 42 yoctonewton. Schreppler ha detto che potrebbe essere possibile arrivare ancora più vicino al limite SQL attraverso una combinazione di atomi freddi e una rivelazione ottica più efficiente. Per ora, l’approccio sperimentale dimostrato in questo studio fornisce un mezzo attraverso cui gli scienziati che cercano di rilevare le onde gravitazionali possono confrontare i limiti delle loro capacità di rilevazione con l’ampiezza prevista e la frequenza delle onde stesse.
“Un articolo scientifico nel 1980 predisse che il limite SQL sarebbe stato raggiunto da lì a cinque anni”, ha detto la ricercatrice. “Ci sono voluti circa 30 anni in più del previsto, ma ora abbiamo un set-up sperimentale in grado di arrivare molto vicino al limite SQL”.
Per saperne di più:
Leggi qui il paper: “Optically measuring force near the standard quantum limit”, di Sydney Schreppler, Nicolas Spethmann, Nathan Brahms, Thierry Botter, Maryrose Barrios e Dan M. Stamper-Kurn