Gli scienziati Kahan Dare (a sinistra) e Manuel Reisenbauer (a destra) mentre stanno lavorando all’esperimento di raffreddamento della nonoparticella solida levitata otticamente per portarla allo stato quantico fondamentale. Crediti: Lorenzo Magrini, Yuriy Coroli/Università di Vienna
Nel mondo dell’infinitamente piccolo, ovvero su scala quantistica, la materia si comporta in modo completamente diverso da quello che osserviamo su scala macroscopica. A questo livello, infatti, la fisica classica che usiamo per comprendere le proprietà degli oggetti non è più sufficiente. È qui che entra in gioco la fisica quantistica.
Gran parte di ciò che sappiamo del mondo quantistico è venuto fuori dallo studio di atomi, molecole e singoli ioni. Le loro proprietà quantistiche possono essere controllate e manipolate dalla luce laser. Mediante il cosiddetto raffredamento laser – o laser cooling, in inglese – gli atomi possono essere infatti spinti in regime quantistico, al livello di energia più basso possibile. Intrappolandoli e portandoli a temperature estreme, è oggi possibile dare origine anche a stati quantistici macroscopici, come avviene per gas quantistici o i condensati di Bose-Einstein, oggi ampiamente utilizzati per le cosiddette tecnologie quantistiche: strumenti basati sulle leggi della meccanica quantistica con applicazioni nel calcolo, nella sensoristica, nella metrologia, nell’imaging e nella crittografia.
Un ulteriore passo in avanti è quello di estendere questo livello di controllo ad agglomerati non solo più grandi e complessi ma anche allo stato solido, sondando così nuovi limiti e confini tra il mondo della meccanica classica e quello della meccanica quantistica. Raggiungere stati quantistici macroscopici a stato solido rappresenta una sfida difficile, ma non impossibile: ci è riuscito un team di ricerca guidato da Uroš Delić dell’università di Vienna, il cui studio, pubblicato ieri su Science, descrive i dettagli dell’esperimento nel quale una sfera di vetro da 150 nanometri – circa mille volte più piccola di un granello di sabbia, contenente 100 milioni di atomi – hè stata portata in regime quantistico.
Il primo passo è stato quello di isolare l’oggetto in esame dalle influenze ambientali e rimuoverne tutta l’energia termica, raffreddandolo fino a temperature molto vicine allo zero assoluto (-273.15 gradi), in modo che le leggi della meccanica quantistica dominassero sul moto delle particelle. C’era però un problema: la tecnica di levitazione ottica – introdotta dal premio Nobel Arthur Ashkin molti decenni fa, sfrutta il raffreddamento laser di cui abbiamo detto prima – non è applicabile ai solidi. «La vera sfida è raffreddare il moto delle particelle fino al loro stato quantistico fondamentale», dice Delić. «Il raffreddamento laser tramite transizioni atomiche è ormai ben collaudato ed è la scelta ovvia quando si ha a che fare gli atomi, ma non funziona per i solidi».
La cavità appositamente progettata per l’esperimento all’interno della quale utilizzando il raffreddamento laser viene raggiunta la temperatura più bassa consentita dalla meccanica quantistica. La dispersione della luce laser dalla nanoparticella appare come un punto al centro di questa immagine colorata artificialmente. Crediti: Kahan Dare, Lorenzo Magrini e Yuriy Coroli/Università di Vienna
Per questo motivo, il team ha lavorato all’implementazione di un metodo di raffreddamento laser proposto dal fisico austriaco Helmut Ritsch dell’università di Innsbruck e, indipendentemente, dal coautore dello studio Vladan Vuletic e dal premio Nobel Steven Chu. Uno sviluppo della tecnica di levitazione ottica – chiamato raffreddamento della cavità mediante dispersione coerente – che ha permesso loro di operare in regime quantistico.
«Abbiamo aggiornato il nostro esperimento e ora siamo in grado non solo di rimuovere più gas di background, ma anche di inviare più fotoni per il raffreddamento», osserva a questo proposito Delić. Un upgrade attraverso il quale la nanoparticella di vetro è stata raffreddata alla temperatura più bassa consentita dalla meccanica quantistica, portandone il moto in regime quantistico, ossia a quello che è noto come lo stato fondamentale, o il livello di energia più basso possibile. «La cosa bizzarra è che la superficie della nostra perlina di vetro è estremamente calda, circa 300 °C, perché il laser ne riscalda gli elettroni», spiega il ricercatore, «ma il movimento del centro di massa della particella è ultra-freddo, circa 0.00001 °C dallo zero assoluto, e possiamo dimostrare che la particella calda si muove in modo quantistico».
Il moto quantistico dei solidi, oltre che dal team di Delić, è stato studiato anche da altri gruppi nel mondo, utilizzando sistemi sperimentali costituiti da risuonatori nano e micro meccanici. «La levitazione ottica offre molta più libertà», sottolinea un altro fra i coautori dello studio, Nikolai Kiesel dell’università di Vienna. «Cambiando la trappola ottica – o addirittura spegnendola – possiamo manipolare il movimento delle nanoparticelle in modi completamente nuovi». Modi nuovi di manipolazione che, in combinazione con lo stato fondamentale raggiunto, secondo gli autori possono aprire nuove opportunità per lo sviluppo di sensori di rilevamento con prestazioni senza precedenti, per lo studio dei processi fondamentali dei motori termici in regime quantistico e lo studio dei fenomeni quantistici che coinvolgono grandi masse. «Un decennio fa abbiamo iniziato questo esperimento motivati dalla prospettiva di una nuova categoria di esperimenti quantistici», conclude Kiesel. «Ora abbiamo finalmente aperto la porta di questo regime».
Per saperne di più:
- Leggi su Science l’articolo “Cooling of a levitated nanoparticle to the motional quantum ground state” di Uroš Delić, Manuel Reisenbauer, Kahan Dare, David Grass, Vladan Vuletić, Nikolai Kiesel e Markus Aspelmeyer