Nanoball al limite quantistico

Secondo la fisica quantistica, perché gli atomi o le particelle elementari possono comportarsi come onde e quindi trovarsi in più luoghi contemporaneamente? E perché tutto ciò che vediamo nella vita quotidiana obbedisce ovviamente alle leggi della fisica classica, in cui una cosa del genere non è possibile? Alla ricerca di una risposta a queste domande, negli ultimi anni i ricercatori hanno fatto sì che oggetti sempre più grandi si comportassero in modo quantomeccanico. Di conseguenza, essi formano uno schema di interferenza tipico delle onde dopo aver attraversato una doppia fenditura, per esempio.

Finora questo risultato è stato ottenuto con molecole composte da poche migliaia di atomi. Tuttavia, la fisica spera che un giorno questi effetti quantistici possano essere osservati anche in oggetti veramente macroscopici. Lukas Novotny, professore di fotonica, e i suoi colleghi del Dipartimento di ingegneria elettrotecnica e dell'informazione dell'ETH di Zurigo hanno compiuto un passo decisivo in questa direzione. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Nature.

Nanosfere in sospensione

L'oggetto macroscopico nel laboratorio di Novotny è una perla di vetro. Sebbene sia grande solo cento nanometri, è composto da dieci milioni di atomi. Con l'aiuto di un raggio laser altamente focalizzato, la perla è tenuta sospesa in una trappola ottica in un contenitore sotto vuoto raffreddato a 269 gradi sotto zero. Più bassa è la temperatura, minore è il movimento termico. "Per vedere chiaramente gli effetti della meccanica quantistica, tuttavia, la nanosfera deve essere rallentata ulteriormente, fino al suo moto allo stato fondamentale", spiega Felix Tebbenjohanns, che lavora come ricercatore post-dottorando nel laboratorio di Novotny. Le oscillazioni della sfera, e quindi la sua energia cinetica, si riducono fino a quando il principio di indeterminazione quantomeccanica non vieta un'ulteriore riduzione. "Abbiamo congelato l'energia cinetica della sfera a un minimo che è vicino al moto di punto zero della meccanica quantistica", dice Tebbenjohanns.

Misurare e frenare

Per ottenere questo risultato, i ricercatori utilizzano un metodo simile a quello usato per rallentare un'oscillazione: una spinta o una trazione accuratamente misurata nella giusta direzione, a seconda del punto in cui si trova l'oscillazione. Nel caso di un'altalena, è sufficiente guardare e agire di conseguenza. Con la nanoball, invece, è necessaria una misurazione più precisa. A tal fine, la luce riflessa dalla sfera viene sovrapposta a un altro raggio laser, creando un modello di interferenza. La posizione di questo schema di interferenza indica la posizione attuale della sfera nella trappola laser. A sua volta, questa posizione viene utilizzata per calcolare la forza con cui la sfera deve essere spinta o tirata per rallentare. La decelerazione stessa viene eseguita da due elettrodi, il cui campo elettrico esercita una forza di Coulomb, misurata con precisione, sulla nano sfera elettricamente carica.

Primo controllo quantistico nello spazio libero

"? la prima volta che viene utilizzato un metodo di questo tipo per controllare lo stato quantistico di un oggetto macroscopico nello spazio libero e rallentarlo quasi fino allo stato di moto a terra", sottolinea Novotny. Sebbene qualcosa di simile sia già stato ottenuto con sfere in risonatori ottici, l'approccio di Novotny presenta vantaggi decisivi: ? meno suscettibile alle interferenze e, spegnendo la luce laser, la sfera può essere studiata anche in completo isolamento, se necessario.

Un'indagine isolata di questo tipo è particolarmente importante se si vogliono effettivamente effettuare esperimenti di interferenza con la perlina come con le onde luminose. Per poter vedere gli effetti di interferenza, l'onda quantomeccanica della perlina deve essere sufficientemente grande. Ciò può essere ottenuto, ad esempio, spegnendo la trappola laser dopo il raffreddamento allo stato di moto a terra, consentendo all'onda quantistica della perlina di espandersi liberamente. Parti diverse dell'onda possono quindi cadere attraverso una doppia fenditura. Come nel caso delle molecole, anche in questo caso si dovrebbe formare un modello di interferenza caratteristico, sovrapponendo le onde della materia.

Possibili applicazioni nei sensori

"Ma questo è ancora lontano", ammette Novotny. Tuttavia, egli afferma anche che le nanosfere galleggianti non sono interessanti solo per la ricerca fondamentale, ma potrebbero avere anche applicazioni pratiche. Per esempio, esistono già sensori in grado di misurare le più piccole accelerazioni o rotazioni con l'aiuto di onde atomiche interferenti. Poiché maggiore è la massa dell'oggetto che interferisce quantomeccanicamente, maggiore è la sensibilità di tali sensori, questi potrebbero essere enormemente migliorati con le nanosfere.