Levitazione quantistica con una nanosfera in vetro

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Una microscopica sfera di vetro ha sfidato le leggi della fisica quantistica. La sfera di 100 nanometri è fra gli oggetti più grandi che siamo riusciti a “piegare” alle leggi della quantistica. Il confine fra meccanica quantistica e realtà macroscopica si sposta un po’ più avanti.

I fisici stanno provando a testare ed estendere le leggi della quantistica, applicate generalmente a particelle subatomiche o atomi, anche ad oggetti più grandi, innalzando sempre più l’asticella di confine fra meccanica quantistica e realtà macroscopica. Un gruppo di ricerca del Politecnico federale di Zurigo (Eth Zurich), ha intrappolato e sospeso, grazie alle proprietà dell’ottica, dell’elettromagnetismo e della meccanica quantistica, una nanosfera di vetro (nell’immagine in alto) di 100 nanometri di diametro, circa mille volte più piccola dello spessore di un capello. Ma per questo esperimento e per la quantistica in generale è tantissimo, dato che finora queste operazioni riguardavano elementi molto più piccoli. I risultati sono pubblicati su Nature.

Meccanica quantistica e mondo macroscopico

Nello strano regno della quantistica le cose vanno diversamente da quanto prescritto nella fisica classica, quella che regola la realtà che vediamo e conosciamo. Ma questo vale solo per “oggetti” piccolissimi, quali particelle subatomiche e atomi, e non per il mondo macroscopico nel quale non ci accorgiamo delle anomalie. Questo è anche il motivo per cui l’esperimento del gatto di Schrödinger è e per fortuna resterà teorico, dato che non può essere svolto nella realtà. I fisici, però, stanno provando a testare e estendere le leggi della quantistica a oggetti sempre più grandi.

Una nanosfera sospesa

Per questo oggi hanno considerato una sferetta piccolissima, visibile al centro dell’immagine (in verde): una nanosfera da 100 nanometri (i nanometri sono milionesimi di millimetri). Apparentemente la novità sembra non esserci, dato che si tratta di un sistema minuscolo. Eppure la differenza rispetto agli esperimenti precedenti c’è eccome. La nanosfera è composta da milioni di atomi, mentre finora questo test è stato condotto su sistemi di poche migliaia di atomi. Per farla levitare i ricercatori l’hanno inserita in una trappola ottica, ottenuta mediante particolari laser all’interno di un contenitore. Il contenitore è una piccola camera a vuoto, dalla quale aria e altri gas sono stati rimossi da una pompa a vuoto, alla temperatura di -269° C. Insomma, laser, ultrafreddo e vuoto sono gli ingredienti essenziali dell’esperimento.

Guardando dentro al cerchio la nanosfera è il puntino verde. La nanosfera levita sostenuta dal fascio laser (foto: Eth Zurich)
Guardando dentro al cerchio la nanosfera è il puntino verde. La nanosfera levita sostenuta dal fascio laser (foto: Eth Zurich)

Per osservare meglio gli effetti quantistici, gli scienziati hanno portato la nanosfera al suo “stato quantico fondamentale”, il livello più basso di energia. Di fatto la nanosfera riesce a librarsi, in questo spazio, grazie a un fascio laser focalizzato, che agisce come una trappola in cui la sferetta è sospesa e oscilla avanti e indietro. Ci sono poi dei campi elettrici per rallentare questo movimento e bloccare le oscillazioni. “Si tratta della prima volta – sottolinea Lukas Novotny, docente di fotonica all’Eth Zurich – in cui questo metodo è stato utilizzato per controllare lo stato quantico di un oggetto macroscopico nello spazio libero”. Risultati simili erano già stati ottenuti in precedenza ma con una tecnica diversa, basata su un risonatore ottico, mentre l’approccio odierno protegge meglio la sferetta da eventuali sollecitazioni.

Verso i prossimi studi

Come sappiamo la ricerca di base nella meccanica quantistica non trova subito applicazione in tecnologie e oggetti di uso comune, tuttavia prove accumulate nel tempo possono condurre a questa meta. In questo caso gli scienziati sperano di poter sfruttare il risultato per capire meglio in che modo la meccanica quantistica fa sì che le particelle elementari, come il fotone e l’elettrone, si comportino anche come onde (il dualismo onda-particella o onda-corpuscolo). E un giorno queste proprietà e l’utilizzo di nanosfere potrebbe essere importante per realizzare nuovi sensori ancora più avanzati e potenti.

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