Nell’immagine di copertina: una scena del film Sliding Doors
Il confine tra meccanica quantistica e realtà macroscopica si sta sempre più riducendo.
Un team di ricerca del Politecnico federale di Zurigo (ETH Zurich) ha sfruttato le proprietà dell’ottica, dell’elettromagnetismo e della meccanica quantistica per sospendere una nanosfera di vetro di 100 nanometri di diametro utilizzando raggi laser.
Meccanica quantistica e mondo macroscopico
La meccanica quantistica studia l’Universo su scala infinitamente piccola, dove atomi e particelle subatomiche si comportano in modi che la fisica classica non può spiegare. Tuttavia, uno degli obiettivi dei fisici moderni è unire il mondo microscopico con quello macroscopico, cercando di far sì che oggetti di dimensioni sempre maggiori si comportino secondo le leggi della meccanica quantistica.
La nanosfera e l’esperimento
Nell’esperimento, l’oggetto studiato è una piccola nanosfera di vetro di 100 nanometri di diametro, circa mille volte più sottile di un capello umano. Sebbene sembri piccola, nel contesto microscopico è enorme, essendo composta da 10 milioni di atomi.
Per studiare la meccanica quantistica su oggetti di grandi dimensioni, è necessario un controllo molto preciso sui loro movimenti meccanici e sulla loro decoerenza (la perdita di coerenza quantistica). Questo controllo è stato ottenuto accoppiando un piccolo oscillatore meccanico con il campo elettromagnetico in un risonatore. Inoltre, utilizzando un sistema di feedback basato sulla misurazione, è stato possibile raffreddare questi oscillatori fino al loro stato quantistico fondamentale.
Le nanoparticelle levitate otticamente sono particolarmente promettenti per questi esperimenti perché il loro potenziale di intrappolamento è completamente controllabile. In questo esperimento, è stata levitata otticamente una particella dielettrica molto leggera (un femtogrammo) in uno spazio libero e criogenico (molto freddo), riducendo così gli effetti termici e rendendo la retroazione della misurazione il principale meccanismo di decoerenza.
Grazie a una misurazione quantistica efficiente, i ricercatori sono riusciti a controllare dinamicamente la particella. Hanno raffreddato il movimento del suo centro di massa tramite feedback fino a un’occupazione media di 0,65 quanti motionali, che corrisponde a una purezza dello stato di 0,43. Poiché non c’era un risonatore ottico con le sue limitazioni di banda, è possibile trasferire il controllo quantistico completo dai campi elettromagnetici a un sistema meccanico. Questo, insieme al fatto che il potenziale di intrappolamento ottico è altamente controllabile, offre un modo per studiare la meccanica quantistica su scale macroscopiche.
Far rientrare un oggetto di tale dimensione nel mondo microscopico rappresenta un grande risultato. I fisici hanno utilizzato luci laser calibrate con precisione per sospendere la nanosfera nel suo stato quantistico più basso, riducendo al minimo movimento ed energia.
Procedura sperimentale
Il gruppo di ricerca ha usato un contenitore sottovuoto raffreddato a -269 gradi Celsius, implementando successivamente un sistema di feedback per ulteriori regolazioni. Attraverso modelli di interferenza generati dai due raggi laser, i ricercatori hanno determinato la posizione esatta della nanosfera e hanno effettuato le necessarie regolazioni per ridurre quasi a zero i movimenti minimi della sfera, utilizzando un campo elettrico creato da due elettrodi.
Risultati simili erano stati ottenuti in precedenza con un risonatore ottico che bilancia gli oggetti con fasci di luce, ma l’approccio di questo esperimento offre una protezione migliore contro i disturbi, permettendo di osservare l’oggetto in isolamento dopo aver spento il laser.
Verso il futuro
Prospettive
I ricercatori sperano che le loro scoperte possano aiutare a studiare il comportamento ondulatorio delle particelle elementari, noto come dualismo onda-corpuscolo, un concetto centrale nella fisica delle particelle dal 1900.
Configurazioni come quella della nanosfera potrebbero anche contribuire allo sviluppo di sensori di nuova generazione, superando le capacità attuali.
“Grazie al fatto che il potenziale di intrappolamento ottico è altamente controllabile, la nostra piattaforma sperimentale offre un modo per studiare la meccanica quantistica su scala macroscopica”, concludono i ricercatori nel loro articolo pubblicato sulla rivista Nature.