Roma – Tre nanosfere di vetro si aggrappano l’una all’altra. Formano un ammasso a forma di torre, simile a quando si impilano tre palline di gelato una sull’altra, solo molto più piccolo. Il diametro del nanocluster è dieci volte inferiore a quello di un capello umano. Con l’aiuto di un dispositivo ottico e di raggi laser, i ricercatori del Politecnico federale di Zurigo sono riusciti a mantenere questi oggetti quasi completamente immobili in levitazione. Questo è significativo per il futuro sviluppo dei sensori quantistici, che, insieme ai computer quantistici, costituiscono le applicazioni più promettenti della ricerca quantistica. Lo studio è stato pubblicato su Nature Physics.
Nell’ambito del loro esperimento di levitazione, i ricercatori, guidati dal professore associato di fotonica Martin Frimmer, sono riusciti a eliminare la forza gravitazionale agente sulle sfere di vetro. Tuttavia, il nanooggetto allungato continuava a tremare, in modo simile a come si muove l’ago di una bussola quando si stabilizza in posizione. Nel caso del nanocluster, il movimento di tremolio era molto rapido ma debole: l’oggetto compiva circa un milione di deviazioni al secondo, ciascuna delle quali misurava solo pochi millesimi di grado. Questa minuscola oscillazione rotazionale è un moto quantistico fondamentale manifestato da tutti gli oggetti e che i fisici chiamano fluttuazione di punto zero. “Secondo i principi della meccanica quantistica, nessun oggetto può mai rimanere perfettamente immobile”, spiega Lorenzo Dania, postdoc nel gruppo di Frimmer e primo autore dello studio. “Più grande è un oggetto, più piccole sono queste fluttuazioni di punto zero e più difficile è osservarle”.
Finora, nessuno è riuscito a rilevare questi minuscoli movimenti per un oggetto di queste dimensioni con la stessa precisione dei ricercatori dell’ETH. Ci sono riusciti perché sono riusciti a eliminare in gran parte tutti i movimenti che hanno origine nel campo della fisica classica e oscurano l’osservazione dei movimenti quantistici. I ricercatori dell’ETH attribuiscono il 92% dei movimenti del cluster nel loro esperimento alla fisica quantistica e l’8% alla fisica classica; si riferiscono quindi a un elevato livello di purezza quantistica. “Prima, non ci aspettavamo di raggiungere un livello di purezza quantistica così elevato”, spiega Dania. E i record non finiscono qui: i ricercatori hanno realizzato tutto questo a temperatura ambiente. I ricercatori quantistici di solito devono raffreddare i loro oggetti a una temperatura prossima allo zero assoluto (-273 gradi Celsius) utilizzando attrezzature speciali. In questo caso, questo non era necessario. Frimmer fa un’analogia: “È come se avessimo costruito un nuovo veicolo che trasporta più merci dei camion tradizionali e allo stesso tempo consuma meno carburante”.
Mentre molti ricercatori studiano gli effetti quantistici su singoli o piccoli gruppi di atomi, Frimmer e il suo gruppo sono tra coloro che lavorano con oggetti relativamente grandi. Il loro cluster di nanosfere può essere minuscolo in termini quotidiani, ma è composto da diverse centinaia di milioni di atomi, il che lo rende enorme dal punto di vista di un fisico quantistico. L’interesse per oggetti di queste dimensioni è in parte guidato dalle speranze per future applicazioni della tecnologia quantistica, ad esempio. Tali applicazioni richiedono sistemi più grandi da controllare utilizzando i principi della meccanica quantistica.
I ricercatori sono riusciti a far levitare le loro nanoparticelle utilizzando una pinzetta ottica. In questo processo, la particella viene posta nel vuoto in un contenitore trasparente. Una lente viene utilizzata per focalizzare la luce laser polarizzata in un punto all’interno di questo contenitore. In questo punto focale, la particella si allinea con il campo elettrico del laser polarizzato e quindi rimane stabile.
“Quello che abbiamo ottenuto è un punto di partenza perfetto per ulteriori ricerche che un giorno potrebbero trovare spunto in applicazioni pratiche”, afferma Frimmer. Per tali applicazioni, è innanzitutto necessario un sistema con elevata purezza quantistica in cui tutte le interferenze esterne possano essere soppresse con successo e i movimenti controllati nel modo desiderato, afferma, aggiungendo che questo obiettivo è stato ora raggiunto. Sarebbe quindi possibile rilevare gli effetti della meccanica quantistica, misurarli e utilizzare il sistema per applicazioni tecnologiche quantistiche.
Tra le possibili applicazioni rientrano la ricerca di base in fisica per progettare esperimenti volti a indagare la relazione tra gravità e meccanica quantistica. È anche ipotizzabile lo sviluppo di sensori per misurare forze minuscole, come quelle delle molecole di gas o persino delle particelle elementari che agiscono sul sensore. Ciò sarebbe utile nella ricerca della materia oscura. “Ora disponiamo di un sistema relativamente semplice, economico e adatto a questo scopo”, afferma Frimmer.
In un futuro lontano, i sensori quantistici potrebbero essere utilizzati anche nell’imaging medico. Si spera che siano in grado di rilevare segnali deboli in ambienti in cui i dispositivi di misurazione altrimenti captano principalmente rumore di fondo. Un’altra potenziale applicazione potrebbe essere quella dei sensori di movimento, che potrebbero facilitare la navigazione dei veicoli anche in assenza di contatto con un satellite GPS.
Per la maggior parte di queste applicazioni, il sistema quantistico dovrebbe essere miniaturizzato. Secondo i ricercatori dell’ETH, ciò è possibile in linea di principio. In ogni caso, hanno trovato un modo per ottenere lo stato quantistico controllabile desiderato senza ricorrere a un raffreddamento dispendioso in termini di tempo, denaro ed energia.(30Science.com)
