Immagina di sederti e prendere il tuo libro preferito. Guardi l’immagine sulla copertina, fai scorrere le dita sulla copertina liscia del libro e senti l’odore familiare del libro mentre sfogli le pagine. Per te, il libro è composto da una serie di apparizioni sensoriali.

Ma ti aspetti anche che il libro abbia una sua esistenza indipendente dietro quelle apparenze. Quindi, quando metti il ​​libro sul tavolino e entri in cucina, o esci di casa per andare al lavoro, ti aspetti che il libro abbia ancora l’aspetto, la sensazione e l’odore proprio come quando lo avevi in ​​mano.

Aspettarsi che gli oggetti abbiano una propria esistenza indipendente, indipendente da noi e da qualsiasi altro oggetto, è in realtà un’assunzione profondamente radicata che facciamo sul mondo.

Questa ipotesi ha la sua origine nella rivoluzione scientifica del XVII secolo e fa parte di quella che chiamiamo visione del mondo meccanicistica. Secondo questa visione, il mondo è come una gigantesca macchina a orologeria le cui parti sono governate da leggi fisse di movimento.

Questa visione del mondo è responsabile di gran parte del nostro progresso scientifico dal 17° secolo. Ma come sostiene il fisico italiano Carlo Rovelli nel suo nuovo libro Helgoland, la teoria dei quanti, la teoria fisica che descrive l’universo alle scale più piccole, quasi certamente mostra che questa visione del mondo è falsa.

Invece, Rovelli sostiene che dovremmo adottare una visione del mondo “relazionale”.

Cosa significa essere relazionale?

Durante la rivoluzione scientifica, il pioniere inglese della fisica Isaac Newton e il suo omologo tedesco Gottfried Leibniz non erano d’accordo sulla natura dello spazio e del tempo.

Newton sosteneva che lo spazio e il tempo agissero come un “contenitore” per il contenuto dell’universo. Cioè, se potessimo rimuovere il contenuto dell’universo, tutti i pianeti, le stelle e le galassie, rimarremmo con spazio e tempo vuoti. Questa è la visione “assoluta” dello spazio e del tempo.

Leibniz, invece, sosteneva che spazio e tempo non fossero altro che la somma totale delle distanze e delle durate tra tutti gli oggetti e gli eventi del mondo. Se rimuovessimo i contenuti dell’universo, rimuoveremmo anche lo spazio e il tempo.

Questa è la visione “relazionale” dello spazio e del tempo: sono solo le relazioni spaziali e temporali tra oggetti ed eventi. La visione relazionale dello spazio e del tempo fu un’ispirazione chiave per Einstein quando sviluppò la relatività generale.

Rovelli utilizza questa idea per comprendere la meccanica quantistica. Afferma che gli oggetti della teoria quantistica, come un fotone, un elettrone o un’altra particella fondamentale, non sono altro che le proprietà che esibiscono quando interagiscono con, in relazione a, altri oggetti.

Queste proprietà di un oggetto quantistico sono determinate attraverso l’esperimento e includono cose come la posizione, la quantità di moto e l’energia dell’oggetto. Insieme formano lo stato di un oggetto.

Secondo l’interpretazione relazionale di Rovelli, queste proprietà sono tutto ciò che c’è nell’oggetto: non c’è alcuna sostanza individuale sottostante che “ha” le proprietà.

Quindi, in che modo questo ci aiuta a capire la teoria quantistica?
Consideriamo il noto esperimento mentale quantistico del gatto di Schrödinger.

Mettiamo un gatto in una scatola con un agente letale (come una fiala di gas velenoso) innescato da un processo quantistico (come il decadimento di un atomo radioattivo), e chiudiamo il coperchio.

Il processo quantistico è un evento casuale. Non c’è modo di prevederlo, ma possiamo descriverlo in un modo che ci dica le diverse possibilità che l’atomo decada o meno in un certo periodo di tempo.

Poiché il decadimento innescherà l’apertura della fiala di gas velenoso e quindi la morte del gatto, anche la vita o la morte del gatto è un evento puramente casuale.

Secondo la teoria quantistica ortodossa, il gatto non è né morto né vivo finché non apriamo la scatola e osserviamo il sistema. Rimane un enigma su come sia per il gatto, non essere né morto né vivo.

Ma secondo l’interpretazione relazionale, lo stato di ogni sistema è sempre in relazione a qualche altro sistema. Quindi il processo quantistico nella scatola potrebbe avere un esito indefinito in relazione a noi, ma avere un esito definito per il gatto .

Quindi è perfettamente ragionevole che il gatto non sia né morto né vivo per noi, e allo stesso tempo sia sicuramente morto o vivo.

Un dato di fatto è reale per noi, e un dato di fatto è reale per il gatto. Quando apriamo la scatola, lo stato del gatto diventa definito per noi, ma il gatto non è mai stato in uno stato indefinito per se stesso.

Nell’interpretazione relazionale non c’è una visione globale della realtà “con l’occhio di Dio” .
Cosa ci dice questo sulla realtà?
Rovelli sostiene che, poiché il nostro mondo è in definitiva quantistico, dovremmo prestare attenzione a queste lezioni. In particolare, oggetti come il tuo libro preferito possono avere le loro proprietà solo in relazione ad altri oggetti, incluso te.

Per fortuna, questo include anche tutti gli altri oggetti, come il tuo tavolino da caffè. Quindi, quando vai al lavoro, il tuo libro preferito continua ad apparire come quando lo avevi in ​​mano. Anche così, questo è un drammatico ripensamento della natura della realtà.

Da questo punto di vista, il mondo è un’intricata rete di interrelazioni, tale che gli oggetti non hanno più una propria esistenza individuale indipendente da altri oggetti, come un gioco infinito di specchi quantistici.

Inoltre, potrebbe non esserci alcuna sostanza “metafisica” indipendente che costituisce la nostra realtà alla base di questa rete.

Rovelli in una nota frase sostiene: “Non siamo altro che immagini di immagini. La realtà, compresi noi stessi, non è altro che un velo sottile e fragile, oltre il quale… non c’è niente”.

Un tempo, la fisica quantistica era avvolta da un velo di mistero. Gli scienziati ipotizzavano che gli elettroni orbitassero attorno al nucleo atomico per poi essere bruscamente espulsi da un’esplosione di luce, o che le particelle si scontrassero e si intrecciassero senza un intervallo di tempo apprezzabile. Tuttavia, grazie ai progressi tecnologici, oggi possiamo scrutare nel cuore del mondo atomico con una precisione senza precedenti. Le misurazioni su scala attosecondi, un dominio temporale incredibilmente breve, stanno rivoluzionando la nostra comprensione dei processi quantistici.

Attosecondi: la chiave per svelare i segreti del mondo quantistico

Un attosecondo è un’unità di tempo infinitesimale, pari a un quintilionesimo di secondo (10^-18 secondi). Per contestualizzare questa dimensione temporale, basti pensare che in un attosecondo la luce percorre una distanza pari alla larghezza di un capello umano. Questa scala temporale permette ai ricercatori di tracciare i movimenti degli elettroni, le particelle più veloci dell’universo, con una precisione senza precedenti.

L’utilizzo degli attosecondi equivale ad avere una “telecamera ad altissima velocità” per il mondo quantistico, permettendo di osservare eventi che un tempo erano considerati troppo rapidi per essere studiati. I ricercatori impiegano impulsi laser intensi e ad alta frequenza per colpire gli atomi, innescando una serie di eventi quantistici.

Quando un atomo viene colpito da un impulso laser, il primo elettrone viene espulso, mentre in determinate condizioni, anche il secondo elettrone assorbe energia e si sposta su un orbitale superiore. “Possiamo dimostrare che questi due elettroni sono ora correlati quantisticamente“, ha affermato Burgdörfer, un pioniere in questo campo: “È possibile analizzarli solo insieme, ed è possibile eseguire una misurazione su uno degli elettroni e apprendere qualcosa sull’altro elettrone allo stesso tempo”. Questo fenomeno, noto come entanglement quantistico, è fondamentale per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche.

La possibilità di osservare e manipolare i processi quantistici su una scala temporale di attosecondi apre orizzonti inesplorati nel campo della comunicazione quantistica e dell’informatica di prossima generazione, promettendo di rivoluzionare radicalmente le tecnologie dell’informazione.

La comprensione dettagliata delle interazioni tra gli elettroni a livello di attosecondi schiude la porta all’esplorazione di metodologie innovative per la codifica e la trasmissione di informazioni quantistiche. Questa capacità potrebbe concretizzarsi nello sviluppo di sistemi di comunicazione quantistica intrinsecamente sicuri, basati sui principi dell’entanglement, in cui le informazioni sono protette da qualsiasi tentativo di intercettazione. Inoltre, la possibilità di manipolare l’entanglement su scala attosecondo potrebbe rendere possibile la creazione di reti quantistiche globali, in grado di trasmettere informazioni a distanze inimmaginabili con una sicurezza senza precedenti.

La capacità di controllare i processi quantistici a livello di attosecondi potrebbe dischiudere le porte alla realizzazione di computer quantistici di potenza e versatilità senza precedenti. Questi computer quantistici sarebbero in grado di affrontare problemi complessi attualmente inaccessibili ai computer classici, come la simulazione di molecole complesse o l’ottimizzazione di sistemi su vasta scala. La manipolazione degli elettroni su scala attosecondo potrebbe inoltre consentire la creazione di nuovi tipi di dispositivi di memoria ed elaborazione quantistica, con prestazioni di gran lunga superiori a quelle dei dispositivi attuali.

L’avanzamento delle tecnologie quantistiche, che sfruttano la scala temporale degli attosecondi, ha il potenziale di innescare una rivoluzione senza precedenti nel campo delle tecnologie dell’informazione, con conseguenze significative in vari settori, tra cui la medicina, la finanza, la crittografia e l’intelligenza artificiale. La possibilità di trasmettere ed elaborare informazioni quantistiche in modo efficiente e sicuro potrebbe trasformare radicalmente il modo in cui comunichiamo, lavoriamo e interagiamo con il mondo che ci circonda. Le tecnologie quantistiche promettono di ridefinire i confini di ciò che è attualmente possibile in termini di calcolo e comunicazione.

L’entanglement attosecondo: una chiave per la crittografia quantistica

Comprendere come l’entanglement si manifesta a intervalli di tempo così brevi è fondamentale per sviluppare sistemi di crittografia quantistica ultra-sicuri. Individuando con precisione il momento in cui due particelle si legano, le tecnologie future potranno sfruttare queste correlazioni in modo più efficace. La conoscenza della sequenza degli eventi che portano all’entanglement permetterà di perfezionare i metodi di generazione di coppie entangled, essenziali per il trasferimento sicuro dei dati.

L’entanglement attosecondo non solo rafforza la crittografia quantistica, ma apre anche nuove prospettive per l’informatica quantistica. La capacità di controllare e manipolare l’entanglement su questa scala di attosecondi potrebbe consentire la creazione di computer quantistici più potenti e versatili, in grado di risolvere problemi complessi attualmente inaccessibili ai computer classici.

La ricerca sull’entanglement si è concentrata a lungo sulla conservazione di questo fenomeno. I recenti risultati Tuttavia evidenziano che la creazione dell’entanglement è altrettanto importante. Osservare come due elettroni diventano correlati su scale temporali di un miliardesimo di miliardesimo di secondo apre nuove possibilità di lavoro sperimentale.

I ricercatori mirano a verificare queste simulazioni in laboratorio, partendo dal presupposto che gli eventi quantistici si svolgono in modi un tempo considerati troppo rapidi per essere misurati. Questi studi suggeriscono che il comportamento quantistico non è puramente immediato. Invece, anche i processi che sembrano bruschi hanno periodi definibili durante i quali l’entanglement prende piede.

L’esplorazione di questi intervalli temporali di attosecondi, attraverso l’ingrandimento e l’analisi dettagliata, consente agli scienziati di acquisire informazioni preziose sulla causalità nel regno quantistico. Questo approccio permette di svelare la sequenza precisa degli eventi che portano all’entanglement, offrendo una visione chiara di come e quando le particelle quantistiche si legano. Tale comprensione è fondamentale per sviluppare protocolli di crittografia quantistica più efficienti e sicuri, poiché consente di ottimizzare la generazione e la manipolazione di coppie entangled.

Parallelamente, l’avanzamento delle tecnologie laser, che permettono di produrre impulsi di luce sempre più brevi e intensi, apre nuove frontiere nella misurazione dei processi quantistici. Queste tecnologie consentono di catturare la fugace nascita di coppie entangled, osservando direttamente come e quando le particelle diventano correlate. Questa capacità di osservazione diretta permette di verificare le simulazioni teoriche con una precisione senza precedenti, fornendo una base sperimentale solida per lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche.

L’insieme di queste ricerche potrebbe ridefinire il modo in cui progettiamo i sistemi futuri basati sulle delicate interconnessioni delle particelle quantistiche. La capacità di controllare e manipolare l’entanglement su scala di attosecondi potrebbe portare alla creazione di computer quantistici più potenti e versatili, in grado di risolvere problemi complessi attualmente inaccessibili ai computer classici. Inoltre, potrebbe consentire lo sviluppo di sistemi di comunicazione quantistica ultra-sicuri, basati sui principi dell’entanglement, in cui le informazioni sono protette da qualsiasi tentativo di intercettazione.

Attosecondi: un futuro di interconnessioni quantistiche

L’emergere di collaborazioni sempre più strette tra team di ricerca a livello globale sta aprendo nuove frontiere nella manipolazione e nella misurazione degli stati entangled, grazie alle scoperte ottenute su scala di attosecondi. Queste collaborazioni promettono di dare vita a metodologie innovative, che potrebbero rivoluzionare sia la scienza di base che le applicazioni tecnologiche.

La comprensione dettagliata della dinamica dell’entanglement a livello di attosecondi permette di sviluppare tecniche di manipolazione più precise e controllate, mentre l’utilizzo di impulsi laser ultra-brevi e intensi consente di misurare gli stati entangled con una risoluzione temporale senza precedenti, aprendo la strada a nuove forme di spettroscopia quantistica.

La collaborazione tra fisici teorici ed esperti di tecnologie laser permette di combinare simulazioni avanzate con esperimenti all’avanguardia, accelerando il progresso nella manipolazione e nella misurazione degli stati entangled. Queste nuove metodologie di manipolazione e misurazione degli stati entangled potrebbero portare allo sviluppo di dispositivi quantistici più efficienti e versatili, come computer quantistici e sensori quantistici. La possibilità di controllare l’entanglement su scala di attosecondi potrebbe consentire la creazione di reti quantistiche globali, in grado di trasmettere informazioni con una sicurezza senza precedenti.

Le scoperte nel campo dell’entanglement attosecondo potrebbero avere un impatto significativo anche in altri settori, come la medicina, la chimica e la scienza dei materiali. La comprensione della tempistica precisa dell’entanglement permette di perfezionare le simulazioni quantistiche, rendendole più accurate e affidabili. Queste simulazioni accurate sono fondamentali per lo sviluppo di nuovi dispositivi quantistici e per la comprensione dei fenomeni quantistici complessi.

Queste interazioni sono fondamentali per il funzionamento dei dispositivi quantistici e la loro comprensione dettagliata è essenziale per ottimizzarne le prestazioni. In sintesi, l’emergere di collaborazioni globali e l’approfondimento della ricerca sull’entanglement a scala di attosecondi promettono di aprire nuove vie nella scienza e nella tecnologia, con il potenziale di trasformare radicalmente il nostro modo di comunicare, calcolare e interagire con il mondo.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

Un team di scienziati ha scoperto un metodo rivoluzionario per isolare il litio-6, un isotopo essenziale per la produzione di combustibile utilizzato nella fusione nucleare. Questa scoperta, nata da una ricerca sulla purificazione dell’acqua, potrebbe rappresentare una svolta significativa per il futuro dell’energia pulita.

Il problema: l’isolamento del litio-6

Il litio-6 è un ingrediente chiave per la produzione di trizio, un isotopo dell’idrogeno utilizzato come combustibile nei reattori a fusione nucleare. Tuttavia, separare il litio-6 dal litio-7, molto più abbondante, è un processo complesso e costoso. Il metodo tradizionale, noto come processo COLEX, utilizza mercurio liquido, una sostanza altamente tossica e pericolosa per l’ambiente.

Il team di ricerca, guidato dal chimico Sarbajit Banerjee dell’ETH di Zurigo e della Texas A&M University, ha scoperto per caso un metodo alternativo per isolarlo. Durante gli esperimenti sulla purificazione dell’acqua, hanno notato che un materiale chiamato ossido di zeta-vanadio era in grado di intrappolare selettivamente gli ioni.

“Questo è un passo avanti verso la risoluzione di un importante ostacolo all’energia nucleare”, ha affermato Banerjee: “Il litio-6 è un materiale fondamentale per la rinascita dell’energia nucleare e questo metodo potrebbe rappresentare un approccio praticabile alla separazione degli isotopi“.

Il nuovo metodo sviluppato dai ricercatori presenta vantaggi significativi rispetto al processo COLEX, attualmente in uso per l’isolamento. In primo luogo, l’assenza di mercurio elimina completamente il rischio di contaminazione ambientale e i pericoli per la salute associati all’uso di questa sostanza tossica.

In secondo luogo, i test di laboratorio hanno dimostrato che il nuovo metodo è altrettanto efficace del processo COLEX nell’isolarlo, garantendo un’alta purezza del prodotto finale. Infine, i ricercatori stanno lavorando attivamente per scalare il processo, rendendolo adatto alla produzione industriale su larga scala. Questo aspetto è fondamentale per rendere il litio-6 disponibile in quantità sufficienti per sostenere lo sviluppo della fusione nucleare come fonte di energia pulita e sostenibile.

La fusione nucleare è considerata una fonte di energia pulita e potenzialmente illimitata. La sua realizzazione richiede una fornitura affidabile di litio-6. Il nuovo metodo scoperto dal team di ricerca potrebbe contribuire a superare questo ostacolo, accelerando lo sviluppo della fusione nucleare come fonte di energia sostenibile.

La soluzione: un metodo senza mercurio

Il team di ricerca,ha scoperto per caso un metodo alternativo per isolarlo. Durante gli esperimenti sulla purificazione dell’acqua, hanno notato che un materiale chiamato ossido di zeta-vanadio era in grado di intrappolare selettivamente gli ioni.

“Abbiamo visto che potevamo estrarre il litio in modo abbastanza selettivo, dato che nell’acqua era presente molto più sale che litio”, ha affermato Banerje: “Ciò ci ha portato a chiederci se questo materiale potesse avere anche una certa selettività per l’isotopo 6-litio“.

Le proprietà di legame del litio della membrana sono dovute a un materiale chiamato ossido di zeta-vanadio, un composto inorganico sintetizzato in laboratorio che contiene una struttura di tunnel che corrono in una sola dimensione: “Zeta-V 2 O 5 ha delle proprietà davvero incredibili: è un materiale straordinario per le batterie e ora stiamo scoprendo che può intrappolare il litio in modo molto selettivo, anche con selettività isotopica“, ha aggiunto Banerjee.

Per testare se il materiale potesse separare il litio-6 dal litio-7, il team ha allestito una cella elettrochimica con un catodo zeta-V 2 O 5. Quando hanno pompato una soluzione acquosa contenente ioni di litio attraverso la cella applicando una tensione, gli ioni di litio caricati positivamente sono stati attratti verso la matrice zeta-V 2 O 5 caricata negativamente e nei suoi tunnel. Poiché gli ioni di litio-6 e litio-7 si muovono in modo diverso, i tunnel zeta-V 2 O 5 hanno catturato preferibilmente gli ioni di litio-6 mentre gli ioni di litio-7 più mobili sono sfuggiti alla cattura.

“Gli ioni di litio-6 aderiscono molto più saldamente ai tunnel, che è il meccanismo di selettività“, ha affermato il co-primo autore Andrew Ezazi della Texas A&M: “Se si pensa ai legami tra V 2 O 5 e litio come a una molla, si può immaginare che il litio-7 sia più pesante e abbia maggiori probabilità di rompere quel legame, mentre il litio-6, essendo più leggero, riverbera meno e crea un legame più stretto“. Man mano che gli ioni di litio vengono integrati nello zeta-V 2 O 5 , il composto cambia gradualmente colore dal giallo brillante al verde oliva scuro, il che consente di monitorare facilmente il grado di isolamento del litio.

La fusione nucleare è considerata una fonte di energia pulita e potenzialmente illimitata. La sua realizzazione richiede una fornitura affidabile di litio. Il nuovo metodo scoperto dal team di ricerca potrebbe contribuire a superare questo ostacolo, accelerando lo sviluppo della fusione nucleare come fonte di energia sostenibile.

Il potenziale rivoluzionario dell’ossido di zeta-vanadio

La scoperta che l’ossido di zeta-vanadio (zeta-V₂O₅) è in grado di intrappolare selettivamente gli ioni di litio-6 rappresenta una svolta significativa nel campo della produzione di combustibile per la fusione nucleare. Questo materiale, originariamente studiato per le sue proprietà nelle batterie, ha rivelato una capacità inaspettata di separare gli isotopi del litio.

La fusione nucleare è considerata una fonte di energia pulita e potenzialmente illimitata, ma la sua realizzazione richiede una fornitura affidabile di litio-6. Il nuovo metodo scoperto dal team di ricerca potrebbe contribuire a superare questo ostacolo, accelerando lo sviluppo della fusione nucleare come fonte di energia sostenibile.

Inoltre, i ricercatori suggeriscono che materiali come l’ossido di zeta-vanadio potrebbero essere utilizzati per isolare altre sostanze, aprendo la strada a nuove applicazioni nel settore della separazione isotopica, inclusa la separazione di isotopi radioattivi da quelli non radioattivi.

Sebbene la produzione industriale non sia ancora una realtà e permangano alcune sfide ingegneristiche relative alla progettazione del ciclo di flusso, Banerjee ha sottolineato che, attraverso una serie di cicli di flusso ottimizzati, è possibile ottenere litio di grado di fusione a un costo competitivo.

Il team di ricerca si sta ora concentrando sull’implementazione del metodo su scala industriale, con l’obiettivo di rendere il litio-6 disponibile per la produzione di trizio su larga scala. Banerjee esprime un forte interesse per la fusione nucleare come soluzione definitiva per l’energia pulita, auspicando un supporto adeguato per trasformare questa scoperta in una soluzione praticabile.

Lo studio è stato pubblicato su Cell Press.