La prossimità è fondamentale per molti fenomeni quantistici, poiché le interazioni tra gli atomi sono più forti quando le particelle sono vicine. In molti simulatori quantistici, gli scienziati li dispongono il più vicino possibile per esplorare stati esotici della materia e costruire nuovi materiali quantistici.
Raffreddare gli atomi fino a fermarli
Solitamente lo fanno raffreddando gli atomi fino a fermarli, quindi utilizzando la luce laser per posizionare le particelle a una distanza di 500 nanometri l’una dall’altra, un limite fissato dalla lunghezza d’onda della luce.
I fisici del MIT hanno sviluppato una tecnica che consente loro di disporli molto più vicini, fino a soli 50 nanometri. Per contestualizzare, un globulo rosso è largo circa 1.000 nanometri.
I fisici hanno dimostrato il nuovo approccio negli esperimenti con il disprosio, che è l’atomo più magnetico in natura. Hanno utilizzato il nuovo approccio per manipolare due strati di atomi di disprosio e hanno posizionato gli strati esattamente a 50 nanometri di distanza. A questa estrema vicinanza, le interazioni magnetiche erano 1.000 volte più forti che se gli strati fossero separati da 500 nanometri.
La ricerca è stata pubblicato sulla rivista Science.
Lo studio
Gli scienziati sono riusciti a misurare due nuovi effetti causati dalla vicinanza degli atomi. Le loro forze magnetiche potenziate causavano la “termalizzazione”, ovvero il trasferimento di calore da uno strato all’altro, nonché oscillazioni sincronizzate tra gli strati. Questi effetti si sono esauriti man mano che gli strati sono stati distanziati.
“Siamo passati dal posizionamento degli atomi da 500 nanometri a 50 nanometri di distanza, e c’è molto che si può fare con questo”, ha spiegato Wolfgang Ketterle, Professore di fisica John D. MacArthur al MIT: “A 50 nanometri, il loro comportamento è così diverso che stiamo davvero entrando in un nuovo regime“.
Ketterle e i suoi colleghi hanno affermato che il nuovo approccio può essere applicato a molti altri atomi per studiare i fenomeni quantistici. Da parte loro, il gruppo prevede di utilizzare la tecnica per manipolarli in configurazioni che potrebbero generare la prima porta quantistica puramente magnetica, un elemento chiave per un nuovo tipo di computer quantistico.
Per manipolare e organizzare gli atomi, i fisici in genere prima ne raffreddano una nuvola a temperature vicine allo zero assoluto, quindi utilizzano un sistema di raggi laser per racchiuderli in una trappola ottica.
La luce laser è un’onda elettromagnetica con una lunghezza d’onda (la distanza tra i massimi del campo elettrico) e una frequenza specifiche. La lunghezza d’onda limita il modello più piccolo in cui la luce può essere modellata tipicamente a 500 nanometri, il cosiddetto limite di risoluzione ottica.
Poiché gli atomi sono attratti dalla luce laser di determinate frequenze, essi verranno posizionati nei punti di massima intensità del laser. Per questo motivo, le tecniche esistenti sono limitate nella misura in cui possono posizionare le particelle atomiche e non possono essere utilizzate per esplorare fenomeni che si verificano a distanze molto più brevi.
“Le tecniche convenzionali si fermano a 500 nanometri, limitate non dagli atomi ma dalla lunghezza d’onda della luce“, ha spiegato Ketterle: “Ora abbiamo trovato un nuovo trucco con la luce che ci consente di superare questo limite”.
Il nuovo approccio del team, come le tecniche attuali, inizia raffreddando una nuvola di atomi, in questo caso, a circa 1 microkelvin, appena sopra lo zero assoluto, a quel punto arrivano quasi a un punto morto. I fisici possono quindi utilizzare i laser per spostare le particelle congelate nelle configurazioni desiderate.
Du e i suoi collaboratori hanno lavorato con due raggi laser, ciascuno con una frequenza o colore diverso e polarizzazione circolare o direzione del campo elettrico del laser. Quando i due raggi viaggiano attraverso una nuvola di atomi super-raffreddata, possono orientare la loro rotazione in direzioni opposte, seguendo la polarizzazione di uno dei due laser. Il risultato è che i fasci producono due gruppi delle stesse particelle, solo con spin opposti.
Ciascun raggio laser ha formato un’onda stazionaria, uno schema periodico di intensità del campo elettrico con un periodo spaziale di 500 nanometri. A causa delle loro diverse polarizzazioni, ciascuna onda stazionaria attraeva e raggruppava uno dei due gruppi di atomi, a seconda del loro spin.
I laser potrebbero essere sovrapposti e sintonizzati in modo tale che la distanza tra i rispettivi picchi sia piccola quanto 50 nanometri, il che significa che gli atomi che gravitano su ciascun rispettivo picco laser sarebbero separati dagli stessi 50 nanometri.
Affinché questo accada, i laser dovrebbero essere estremamente stabili e immuni a tutti i rumori esterni, come ad esempio lo scuotimento o addirittura il respiro durante l’esperimento. Il team si è reso conto che potevano stabilizzare entrambi i laser dirigendoli attraverso una fibra ottica, che è servita a bloccare i fasci di luce in posizione l’uno rispetto all’altro.
“L’idea di inviare entrambi i raggi attraverso la fibra ottica ha significato che l’intera macchina poteva tremare violentemente, ma i due raggi laser sono rimasti assolutamente stabili l’uno rispetto all’altro“, ha aggiunto Du.
Conclusioni
Come primo test della loro nuova tecnica, il team ha utilizzato atomi di disprosio, un metallo delle terre rare che è uno degli elementi magnetici più forti nella tavola periodica, in particolare a temperature ultrafredde. Tuttavia, su scala atomica, le interazioni magnetiche dell’elemento sono relativamente deboli anche a distanze di 500 nanometri.
Come con i comuni magneti da frigorifero, l’attrazione magnetica tra gli atomi aumenta con la vicinanza, e gli scienziati sospettavano che se la loro nuova tecnica fosse riuscita a distanziare gli atomi di disprosio a una distanza di 50 nanometri l’uno dall’altro, avrebbero potuto osservare l’emergere di interazioni altrimenti deboli tra gli atomi magnetici.
“Potremmo improvvisamente avere interazioni magnetiche, che prima erano quasi trascurabili ma ora sono davvero forti”, ha detto Ketterle.
I risultati del team introducono una nuova tecnica che può essere utilizzata per posizionare molti tipi di atomi nelle immediate vicinanze. Mostrano anche che essi, posizionati abbastanza vicini tra loro, possono mostrare interessanti fenomeni quantistici, che potrebbero essere sfruttati per costruire nuovi materiali quantistici e, potenzialmente, sistemi atomici guidati magneticamente per computer quantistici.
“Stiamo davvero portando sul campo metodi di super-risoluzione, che diventeranno uno strumento generale per eseguire simulazioni quantistiche”, ha concluso Ketterle: “Ci sono molte varianti possibili, su cui stiamo lavorando”.
