Nel fenomeno del tunneling quantistico, le particelle sembrano muoversi più velocemente della luce. I fisici di Darmstadt hanno però ipotizzato che il tempo impiegato dalle particelle per passare attraverso il tunnel sia stato finora misurato in modo errato e hanno proposto un nuovo metodo per fermare la velocità delle particelle quantistiche.
Applicazioni pratiche del tunneling quantistico
Nella fisica classica esistono leggi severe che non possono essere aggirate. Ad esempio, se una palla che rotola non ha energia sufficiente, non riuscirà a superare una collina, invece, tornerà indietro prima di raggiungere il picco. Nella fisica quantistica, questo principio non è così rigido.
Qui una particella può oltrepassare una barriera, anche se non ha abbastanza energia per superarla. Agisce come se scivolasse attraverso un tunnel, motivo per cui il fenomeno è noto anche come “tunneling quantistico”. Lontano dalla mera teorica, questo fenomeno ha applicazioni pratiche, come nel funzionamento delle unità di memoria flash.
In passato, gli esperimenti in cui le particelle si muovevano più velocemente della luce hanno attirato una certa attenzione. Dopotutto, la teoria della relatività di Einstein vieta velocità superiori a quelle della luce. La questione è quindi se in questi esperimenti il tempo necessario per il tunneling sia stato “fermato” correttamente.
I fisici Patrik Schach ed Enno Giese della TU Darmstadt hanno seguito un nuovo approccio per definire il “tempo” per una particella tunnel e hanno proposto un nuovo metodo per misurare questo tempo. Nel loro esperimento, lo hanno misurato in un modo che ritengono sia più adatto alla natura quantistica del tunneling.
Lo studio
Secondo la fisica quantistica, le piccole particelle come gli atomi o le particelle leggere hanno una duplice natura. A seconda dell’esperimento, si comportano come particelle o come onde. Il tunneling quantistico evidenzia la natura ondulatoria delle particelle.
Un “pacchetto d’onde” rotola verso la barriera, paragonabile ad un’ondata d’acqua. L’altezza dell’onda indica la probabilità con cui la particella si materializzerebbe in questo punto se venisse misurata la sua posizione.
Se il pacchetto d’onde incontra una barriera energetica, parte di esso viene riflesso.Una piccola porzione tuttavia penetra nella barriera e c’è una piccola probabilità che la particella appaia dall’altra parte della barriera.
Precedenti esperimenti hanno osservato che una particella di luce ha percorso una distanza maggiore dopo il tunneling quantistico rispetto a una che aveva un percorso libero. Avrebbe quindi viaggiato più velocemente della luce. I ricercatori hanno dovuto tuttavia definire la posizione della particella dopo il suo passaggio e hanno scelto il punto più alto del suo pacchetto d’onda.
“La particella però non segue un percorso in senso classico”, ha spiegato Enno Giese. È impossibile dire esattamente dove si trova la particella in un determinato momento. Questo rende difficile fare dichiarazioni sul tempo necessario per andare da A a B.
Schach e Giese, invece, hanno seguito la citazione di Albert Einstein: “Il tempo è ciò che leggi sull’orologio”. Gli scienziati hanno indicato di utilizzare la particella stessa come un orologio. Una seconda particella che non effettua tunnel serve da riferimento. Confrontando questi due orologi naturali, è possibile determinare se il tempo scorre più lentamente, più velocemente o ugualmente velocemente durante il tunneling quantistico.
La natura ondulatoria delle particelle facilita questo approccio. L’oscillazione delle onde è simile all’oscillazione di un orologio. Nello specifico, Schach e Giese hanno proposto di utilizzare gli atomi come orologi. I livelli energetici degli atomi oscillano a determinate frequenze. Dopo aver indirizzato un atomo con un impulso laser, i suoi livelli oscillano inizialmente in modo sincronizzato: viene avviato l’orologio atomico.
Durante il tunneling quantistico, tuttavia, il ritmo cambia leggermente. Un secondo impulso laser fa sì che le due onde interne dell’atomo interferiscano. La rilevazione dell’interferenza permette di misurare la distanza tra le due onde dei livelli energetici, che a sua volta è una misura precisa del tempo trascorso.
Un secondo atomo, che non esegue il tunneling, serve come riferimento per misurare la differenza di tempo tra il tunneling e il non tunneling. I calcoli dei due fisici hanno mostrato che la particella che effettua il tunneling mostrerà un tempo leggermente ritardato: “L’orologio a tunnel è leggermente più vecchio dell’altro”, afferma Patrik Schach. Questo sembra contraddire gli esperimenti che hanno attribuito la velocità superluminale al tunneling quantistico.
Conclusioni
“In linea di principio il test può essere eseguito con la tecnologia odierna“, ha aggiunto Schach, ma rappresenta una grande sfida per gli sperimentatori. Questo perché la differenza di tempo da misurare è solo di circa 10 -26 secondi, un tempo estremamente breve.
È utile utilizzare come orologi nuvole di atomi anziché singoli atomi, spiega il fisico. È anche possibile amplificare l’effetto, ad esempio aumentando artificialmente le frequenze del clock.
“Stiamo attualmente discutendo questa idea con altri colleghi e siamo in contatto con i nostri partner di progetto”, ha concluso Giese. È del tutto possibile che presto un team decida di realizzare questo interessante esperimento.
Gli studiosi hanno pubblicato il progetto del loro esperimento su Science Advances.
