Rappresentazione schematica dell’evoluzione (la spirale blu) di uno spin e della sua incertezza mentre orbitano in un campo magnetico. L’incertezza, inizialmente uguale in tutte le direzioni, viene schiacciata e confinata nella sola componente al di fuori del piano, rendendo così le due componenti sul piano estremamente certe. Crediti: Icfo
Incertezza quantistica al tappeto, anzi: sotto al tappeto. Il principio d’indeterminazione rimane valido, ci mancherebbe, Heisenberg può dormire sonni tranquilli. Ma è stato elegantemente aggirato e raggirato, con una sorta di gioco delle tre carte: relegato là dove non dà impiccio e in qualche modo neutralizzato. Ci sono riusciti a Barcellona, all’Institute of Photonic Sciences (Icfo), cinque fisici guidati dal giovane scienziato abruzzese Giorgio Colangelo – primo autore dello studio, originario di Sulmona, laureato a Pisa, poi approdato in Spagna per il dottorato – e da Morgan Mitchell, responsabile del team di ricerca.
I risultati, pubblicati oggi su Nature, oltre al notevole interesse scientifico, potranno avere ricadute in numerosi campi applicativi: dalla precisione degli orologi atomici, quelli impiegati sui satelliti per il Gps o in radioastronomia per le osservazioni Vlbi, alla qualità delle immagini diagnostiche ottenute con i dispositivi per la risonanza magnetica. Ambiti quanto mai diversi fra loro, gli orologi atomici e la risonanza magnetica, ma con un aspetto fondamentale in comune: entrambi funzionano grazie a misure precisissime di proprietà quantistiche degli atomi legate allo spin.
Ed è proprio su quel precisissime che il principio d’indeterminazione di Heisenberg impone il suo vincolo insormontabile: volendo misurare contemporaneamente due proprietà quantistiche del sistema, per esempio l’angolo e l’ampiezza, esiste un limite intrinseco d’incertezza al di sotto del quale non è possibile scendere. Affascinante per le sue implicazioni scientifiche e filosofiche, il principio d’indeterminazione può diventare un problema alquanto serio quando si passa, appunto, alle applicazioni. Nel caso della risonanza magnetica, per esempio, l’angolo di spin indica il dove, ovvero in quale parte del corpo si trova l’atomo rilevato, mentre l’ampiezza è legata al cosa, vale a dire al tipo di tessuto che lo ospita. È combinando le due informazioni che la risonanza magnetica consente di ottenere immagini a tre dimensioni del corpo umano.
Due informazioni sulle quali, però, come abbiamo visto, pende l’ineluttabile maledizione di Heisenberg. Ineluttabile, ma non inaggirabile. Ed è proprio ricorrendo a un trucco ingegnoso che gli scienziati dell’Icfo sono riusciti ad aggirarla. Trucco che abbiamo chiesto allo stesso Giorgio Colangelo di svelarci.
Colangelo, partiamo dall’inizio, da quel principio che Werner Karl Heisenberg enunciò 90 anni fa, nel 1927, e che ora voi state sfidando. Cosa dice esattamente?
«Il principio di indeterminazione di Heisenberg correla due quantità per descrivere completamente un sistema fisico. Questo vale per posizione e velocità di un atomo ma anche per l’ampiezza e la fase di un segnale. Al conoscere precisamente una di queste due l’altra diventa indeterminata, per cui resta impossibile descrivere completamente il nostro sistema. Tuttavia altri sistemi fisici, come per esempio lo spin di un atomo, non vengono descritti da due, bensì da tre quantità, come per esempio le tre direzioni spaziali su cui può orientarsi lo spin».
Il team protagonista dello studio. Da sinistra: Ferran Martin Ciurana, Lorena Bianchet, Rob Sewell, Morgan W. Mitchell e Giorgio Colangelo. Crediti: Icfo
Questi sistemi a tre quantità non sono soggetti anch’essi al principio d’indeterminazione?
«Questi sono descritti da una relazione d’indeterminazione un po’ più generale che correla le tre quantità dello spin: la relazione d’indeterminazione di Robertson-Schrödinger. Anche in questo caso risulta comunque impossibile conoscere esattamente tutto del sistema, cioè le tre orientazioni dello spin, tuttavia se ne possono conoscere quasi precisamente due. E quelle due sono sufficienti per conoscere l’ampiezza e la fase di un segnale rivelato dagli atomi con estrema precisione, che è quello a cui effettivamente siamo interessati».
Geniale: ne “sacrificate” una per salvare le due che vi servono. E siete stati voi i primi a pensarci?
«Probabilmente per un teorico questo fatto era già noto, perché è una conseguenza semplice della teoria. Ma spesso le idee semplici sono anche quelle che possono essere applicate ai sistemi più diversi. Il nostro merito è che noi siamo stati i primi ad accorgerci che da questa conseguenza si poteva derivare un protocollo sperimentale semplice da utilizzare nella pratica. E abbiamo dimostrato, con un esperimento, che se ne poteva ottenere un vantaggio metrologico significativo rispetto a quello che è fatto fino a ora, tanto da poter migliorare gli attuali strumenti».
Prevede che ci potranno essere ricadute anche al di fuori delle mura dei laboratori?
«Il nostro esperimento ha dimostrato che, effettivamente, l’uso di spin atomici in opportune configurazioni rispetto al campo magnetico permette di misurare ampiezza e fase dello spin con precisione oltre i limiti classici. Credo che le applicazioni arriveranno con la prossima generazione di sensori magnetici, primi tra tutti quelli che utilizzano gli N-V centers, che si basano sulla rotazione di uno spin e che quindi sono descritti dalla stessa fisica che abbiamo dimostrato. Anche gli orologi atomici potranno ottenere vantaggi significativi dalla nostra tecnica».
E i dispositivi diagnostici?
«Per quanto riguarda le applicazioni mediche io sono fiducioso: la fisica è la stessa e il nostro esperimento ha usato un protocollo molto simile a quello usato per la risonanza magnetica. Per il momento, però, nel loro caso il problema è migliorare la sensitività degli strumenti in modo da essere sensibili a effetti quantistici. Dimostrazioni in laboratorio esistono, ma sono ancora lontane dall’essere commercializzate».
Restiamo dunque in laboratorio: come si trova all’Istituto di scienze fotoniche di Barcellona?
«All’Icfo ho trovato un ambiente dinamico e stimolante. Nel mio gruppo per esempio siamo 13, da 5 continenti e 8 nazioni differenti. In dieci anni l’Icfo è diventato un punto di riferimento internazionale nel campo della fotonica e dell’ottica quantistica. Istituti come questo, cofinanziati dall’Unione europea ma anche dal governo, da autorità locali e da privati, sono la prova che la scienza di alta qualità è possibile anche nel sud Europa».
Per saperne di più:
- Leggi su nature l’articolo “Simultaneous tracking of spin angle and amplitude beyond classical limits”, di Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet, Robert J. Sewell e Morgan W. Mitchell
Correzione del 23 marzo 2017: Giorgio Colangelo è il primo autore del paper, ma il responsabile del team di ricerca è Morgan Mitchell.