L’apparato sperimentale. Crediti: Thomas Angus/ Imperial College London
Può una particella imboccare entrambi gli ingressi che le si parano contemporaneamente innanzi lungo un percorso? La meccanica quantistica non lascia dubbi al riguardo: certo che sì. È la magia del dualismo onda-particella, dimostrata innumerevoli volte con uno fra i più affascinanti esperimenti della fisica: l’esperimento della doppia fenditura. Ma se le due fenditure, invece di essere separate nello spazio, lo fossero nel tempo – una sorta di Sliding Doors? Ebbene, la risposta continua a essere affermativa: il dualismo onda-particella consente l’attraversamento di entrambe le “fenditure” anche nel caso che la separazione sia temporale.
La dimostrazione sperimentale, descritta oggi sulle pagine di Nature Physics, è stata ottenuta al Dipartimento di fisica dell’Imperial College di Londra da un team guidato da Romain Tirole e da Riccardo Sapienza, quest’ultimo nato e laureato a Padova ma da anni nel Regno Unito, dove è professore di fisica all’Imperial College. E non è l’unico italiano, fra i nove autori dello studio. «Ho la fortuna di collaborare con Stefano Vezzoli, che è un fisico sperimentale fenomenale, soprattutto per studi con laser ultracorti, e con Emanuele Galiffi, che è un fisico teorico fenomenale, una delle stelle sorgenti nel campo dei metamateriali temporali», dice Sapienza a Media Inaf. «Sono le persone giuste per questo esperimento. Non credo conti la nazionalità, e poi vista la quantità di scienziati italiani all’estero è difficile non trovarne uno».
Riccardo Sapienza, professore di fisica all’Imperial College di Londra e scienziato alla guida dell’esperimento pubblicato su Nature Physics. Crediti: R. Sapienza/Imperial College London
Il risultato in sé ottenuto all’Imperial College non ha colto il team di sorpresa, essendo ampiamente previsto dalla teoria. La vera sfida è stata, appunto, ideare e approntare un esperimento in grado di dimostrarlo. Come si fa ad “aprire” due fenditure separate nel tempo? Sapienza e il suo team hanno usato un materiale molto particolare – un metamateriale, dunque un materiale le cui proprietà possono essere modificate in tempi rapidissimi – che troviamo anche negli schermi dei nostri smartphone: una pellicola di ossido di indio-stagno. Opportunatamente controllata attraverso un laser, la sua riflettanza varia nell’arco di pochi femtosecondi. Consentendo così ai ricercatori di aprire e chiudere due “fessure” separate temporalmente da un intervallo brevissimo. A questo punto non rimaneva che tentare il doppio attraversamento. Compito affidato a un fotone. Luce, insomma. Particella e onda. E proprio grazie a questa sua duplice natura è riuscito a compiere l’impresa.
«Il fotone è esteso temporalmente, circa 800 femtosecondi, quindi copre entrambe le fenditure temporali. L’interferenza nasce dal fatto che il fotone viene riflesso da entrambe le fenditure e questi due possibili cammini hanno una differenza di fase dovuta alla separazione temporale delle due fenditure», spiega Sapienza a Media Inaf. Dunque è “contemporaneamente” in due momenti nel tempo? «Direi più semplicemente che ha una durata temporale, ma non credo sarebbe scorretto dire che esiste in un lasso di tempo, che si estende temporalmente».
Rappresentazione artistica della figura di diffrazione cromatica prodotta dall’esperimento. Crediti: R. Sapienza/Imperial College London
Proprio come per l’esperimento della doppia fenditura nello spazio, anche in questo caso la conferma del successo è arrivata sotto forma di una figura di diffrazione. Non però nello spazio, bensì nel tempo. «Quella che misuriamo è una figura di diffrazione cromatica, nelle frequenze», continua Sapienza. E se in questo caso la protagonista è stata la luce, Sapienza non ha dubbi circa il fatto che anche un elettrone, o qualunque altra particella quantistica, possa prendere il posto del fotone con altrettante possibilità di successo. «Il fenomeno è puramente ondulatorio», dice, «quindi vale per qualsiasi onda, da onde di materia a onde elastiche, onde sonore, eccetera». Quanto all’intervallo temporale massimo consentito, se nell’esperimento messo a punto in quest’occasione non si riesce, per ragioni tecniche, ad andare oltre gli 1.2 picosecondi tra le fenditure, «il vero limite fisico è una separazione pari alla coerenza temporale della luce di sonda», spiega Sapienza, «proprio come nel caso spaziale il limite è la coerenza spaziale della luce incidente».
Vi state domandando a cosa possa servire tutto ciò? «Il nostro esperimento ci porta a conoscere meglio la natura fondamentale della luce. È un trampolino di lancio per la creazione di materiali in grado di controllare minuziosamente la luce sia nello spazio che nel tempo», promette Sapienza. «L’esperimento delle doppie fenditure temporali», conclude il suo collega all’Imperial College Sir John Pendry, coautore dello studio, «apre le porte a una spettroscopia completamente nuova, in grado di risolvere la struttura temporale di un impulso luminoso sulla scala di un periodo della radiazione».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Physics l’articolo “Double-slit time diffraction at optical frequencies”, di Romain Tirole, Stefano Vezzoli, Emanuele Galiffi, Iain Robertson, Dries Maurice, Benjamin Tilmann, Stefan A. Maier, John B. Pendry e Riccardo Sapienza