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Scoperta: strano effetto quantistico rende invisibile la materia

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Uno strano effetto quantistico previsto decenni fa è stato finalmente dimostrato: se una nuvola di gas viene resa abbastanza fredda e densa, può diventare invisibile.

Gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno utilizzato i laser per raffreddare gas di litio a densità e temperature abbastanza basse da diffondere meno luce. Quando gli scienziati riescono a raffreddare la nuvola vicino allo zero assoluto (-273,15°), affermano che la nuvola diventi completamente invisibile.

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L’effetto bizzarro è il primo esempio specifico di un processo quantomeccanico chiamato blocco di Pauli.

“Quello che abbiamo osservato è una forma molto particolare e semplice di blocco di Pauli, che impedisce ad un atomo di fare quello che fanno tutti gli atomi: diffondere la luce”, lo ha dichiarato l’autore dello studio Wolfgang Ketterle, un professore di fisica al MIT. “Questa è la prima osservazione chiara che questo effetto esiste e mostra un nuovo fenomeno in fisica”.

La nuova tecnica potrebbe essere utilizzata per sviluppare materiali che sopprimono la luce per prevenire la perdita di informazioni nei computer quantistici.

Il blocco di Pauli deriva dal principio di esclusione di Pauli, formulato per la prima volta dal famoso fisico austriaco Wolfgang Pauli nel 1925. Pauli postulò che tutte le cosiddette particelle fermioniche – come protoni, neutroni ed elettroni – quando hanno lo stesso stato quantistico non possono esistere nello stesso spazio.

Al livello quantistico spettrale c’è solo un numero finito di stati energetici, questo costringe gli elettroni negli atomi ad impilarsi in gusci di livelli di energia più elevati che orbitano sempre più lontano attorno ai nuclei atomici.

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Questo stato mantiene anche gli elettroni di atomi separati l’uno dall’altro perché, secondo un articolo del 1967 scritto dal fisico Freeman Dyson, senza il principio di esclusione tutti gli atomi collasserebbero insieme esplodendo in un enorme rilascio di energia.

Questi risultati non solo producono la sorprendente variazione degli elementi della tavola periodica, ma impediscono anche ai nostri piedi, piantati sulla terra, di cadere attraverso il terreno, portandoci al centro della Terra.

Il principio di esclusione si applica anche agli atomi in un gas

Di solito, gli atomi in una nuvola di gas hanno molto spazio per rimbalzare, il che significa che anche se possono essere fermioni vincolati dal principio di esclusione di Pauli, ci sono abbastanza livelli di energia non occupati in cui possono saltare affinché il principio non ostacoli in modo significativo il loro movimento.

Invia un fotone, o particella di luce in una nube di gas relativamente calda e qualsiasi atomo in cui si imbatte sarà in grado di interagire con esso, assorbendo il suo momento in arrivo, ritraendosi a un diverso livello di energia e disperdendo il fotone.

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A questo punto del processo gli atomi perdono energia, riempiendo tutti gli stati più bassi disponibili e formando un tipo di materia chiamato mare di Fermi. A questo punto le particelle sono circondate l’una dall’altra, incapaci di salire a livelli di energia più alti o di scendere a livelli più bassi.

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“A questo punto gli atomi sono accatastati in gusci come spettatori seduti in un’arena esaurita e non hanno un posto dove andare se colpiti”, così spiegano i ricercatori. Sono così uniti che le particelle non sono più in grado di interagire con la luce. La luce che viene inviata è bloccata e passerà semplicemente attraverso.

Questo effetto quantistico è difficile da ottenere su una nuvola atomica

Questo non solo ha bisogno di temperature incredibilmente basse, ma richiede anche che gli atomi vengano schiacciati per registrare le densità. Dopo aver catturato il gas all’interno di una trappola atomica, i ricercatori li hanno colpiti con un laser.

In questo processo, i ricercatori hanno sintonizzato i fotoni nel raggio laser in modo che entrassero in collisione solo con gli atomi che si muovevano nella direzione opposta a loro, facendo rallentare gli atomi e, quindi, raffreddandoli. I ricercatori hanno congelato la loro nuvola di litio a 20 microkelvin (-273.15°).

Quindi, hanno usato un secondo laser ben focalizzato per comprimere gli atomi a una densità record di circa 1 quadrilione (1 seguito da 15 zeri) di atomi per centimetro cubo.

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Successivamente, per vedere come si erano ammantati i loro atomi superraffreddati, i fisici hanno puntato un terzo e ultimo raggio laser accuratamente calibrato in modo da non alterare la temperatura o la densità del gas sugli atomi, usando una telecamera ipersensibile per contare il numero di fotoni sparsi. 

Come previsto dalla teoria, gli atomi raffreddati e schiacciati diffondono il 38% in meno di luce rispetto a quelli a temperatura ambiente, rendendoli significativamente più fiochi.

Altre due squadre indipendenti hanno anche raffreddato altri due gas, potassio e stronzio

Nell’esperimento sullo stronzio, i ricercatori hanno bloccato gli atomi eccitati per mantenerli in uno stato eccitato più a lungo. Tutti e tre i documenti che dimostrano il blocco di Pauli sono stati pubblicati il ​​18 novembre sulla rivista Science.

Ora che i ricercatori hanno finalmente dimostrato l’effetto di blocco di Pauli, potrebbero eventualmente usarlo per sviluppare materiali che sopprimono la luce. Ciò sarebbe particolarmente utile per migliorare l’efficienza dei computer quantistici, attualmente ostacolati dalla decoerenza quantistica (perdita di informazioni quantistiche (trasportate dalla luce) nell’ambiente circostante di un computer).

“Ogni volta che controlliamo il mondo quantistico, come nei computer quantistici, la diffusione della luce è un problema e significa che le informazioni fuoriescono dal tuo computer quantistico”, ha detto Ketterle. “Questo è un modo per sopprimere la dispersione della luce e stiamo contribuendo al tema generale del controllo del mondo atomico”.

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