Utilizzando un campo magnetico il gruppo di ricerca di Innsbruck ha modificato in modo diretto l’orientamento dei mini magneti, arrivando a controllare con precisione l’interazione fra le particelle del sistema. Crediti: Erbium team / Simon Baier.
Operazione Quantum. 2.0. Ma scordatevi di vedere Daniel Craig nei panni dell’inossidabile James Bond. Questa è fisica particellare.
«Siamo finalmente in grado di controllare efficacemente le particelle ultrafredde di un esperimento, cosa che ci fornisce nuovi elementi per comprenderne le proprietà fisiche», spiega Francesca Ferlaino dell’Istituto di Fisica Sperimentale dell’Università di Innsbruck, e che collabora con l’austriaco Institute for Quantum Optics and Quantum Information della locale Accademia delle Scienze. È il suo gruppo di ricerca, in collaborazione con il team di fisici teorici guidato da Peter Zoller, ad aver esteso l’utilizzo di atomi ultrafreddi confinati in reticoli ottici e gettato le basi per il futuro della ricerca nell’ambito dei processi quantistici.
Il risultato? Per la prima volta, a Innsbruck, i ricercatori sono stati in grado di misurare quantitativamente le interazioni a lungo raggio fra atomi polarizzati in un reticolo ottico.
Ma facciamo un passo indietro. Le simulazioni sono uno strumento piuttosto popolare nello studio di quei processi fisici che altrimenti non potrebbero mai essere studiati sperimentalmente. Succede infatti che gli scienziati siano chiamati a studiare processi fisici dei materiali, le cui proprietà sono determinate dalle interazioni fra singole particelle, difficilmente misurabili in modo diretto. Un comune computer raggiunge in fretta il suo limite di calcolo se sottoposto a simulazioni tanto complesse. Per questo motivo, già nei primi anni Ottanta, il celebre fisico Richard Feynman aveva proposto di aggirare il problema simulando questo genere di processi in un sistema quantistico. Due decenni più tardi, Ignacio Cirac e Peter Zoller hanno presentato idee concrete per studiare questo tipo di processi quantistici: utilizzando atomi ultrafreddi confinati in reticoli ottici. Un’idea che ha funzionato e ha portato a parecchie applicazioni pratiche in decine di esperimenti.
Molti studi si sono concentrati sullo studio delle interazioni fra particelle a corto raggio. «Oggi siamo andati oltre e stiamo lavorando con atomi fortemente magnetici, che possono anche interagire su lunghe distanze», spiega Manfred Mark, fra gli autori dello studio austriaco appena pubblicato su Science.
Per preparare l’esperimento i fisici di Innsbruck si sono serviti di gas ultrafreddi ottenuti con atomi di Erbio – un condensato di Bose-Einstein – rilasciato in un reticolo ottico a tre dimensioni di raggi laser. In questa simulazione di cristallo solido, le particelle sono state disposte come uova in una confezione da supermercato. Ordinatamente. Distanza tra le particelle: sette volte la loro funzione d’onda. «È così che, utilizzando un campo magnetico, siamo stati in grado di cambiare direttamente la direzione dei mini magneti e controllare con grande precisione di dettaglio l’interazione fra le particelle, misurando attrazione e repulsione», spiega Simon Baier, primo autore dell’articolo e membro del team austriaco.
«La nostra collaborazione con Zoller, Cai Zi e Mikhail Baranov è stata indispensabile per comprendere i nostri risultati», sottolinea Francesca Ferlaino. «Questo lavoro è un ulteriore passo verso la comprensione della materia quantistica di atomi dipolari».
Ma i risultati di questa ricerca gettano anche le basi per i prossimi studi nel campo. «Il nostro studio apre la porta alla misurazione di nuove fasi esotiche della materia», spiega Simon Baier. «In linea di principio, dovremmo essere in grado di farcela. Ma ci sarà bisogno di raffreddare gli atomi ancora di più: dalla temperatura di 70nK ad una assai più proibitiva di circa 2nK».