Nel 1951, il fisico Julian Schwinger teorizzò che applicando un campo elettrico uniforme al vuoto, coppie elettrone-positrone sarebbero state create spontaneamente dal nulla, attraverso un fenomeno chiamato effetto tunnel quantistico.
Qual è il problema nel trasformare la teoria della materia dal nulla in replicatori o teletrasporti di Star Trek? Sarebbero necessari campi elettrici enormemente elevati, ben oltre i limiti di qualsiasi esperimento fisico diretto. Di conseguenza, l’effetto Schwinger, opportunamente denominato, non è mai stato osservato.
Ora i fisici teorici dell’Università della British Columbia (UBC) hanno descritto un effetto parallelo in un sistema più gestibile. Nel loro modello, sostituiscono il vuoto con un sottile film di elio superfluido e il flusso di fondo del superfluido con il campo elettrico massivo.
“L’elio-4 superfluido è una meraviglia. Con uno spessore di pochi strati atomici, può essere raffreddato molto facilmente a una temperatura in cui si trova praticamente in uno stato di vuoto senza attrito“, spiega il dott. Philip Stamp, fisico teorico all’UBC che si occupa di materia condensata e gravità quantistica, e autore delle nuove scoperte pubblicate il 2 settembre su PNAS.
“Quando creiamo un flusso di vuoto senza attrito, invece di apparire coppie elettrone-positrone, appariranno spontaneamente coppie vortice/antivortice, che ruotano in direzioni opposte l’una rispetto all’altra.“
Nell’articolo, il dott. Stamp e il collega dell’UBC Michael Desrochers delineano la teoria e la matematica su cui si basa, delineando un approccio dettagliato per condurre un esperimento diretto.
L’effetto tunnel nel vuoto è un processo di grande interesse nella meccanica quantistica e nella teoria quantistica dei campi. Nella teoria quantistica, il vuoto non è vuoto, ma pieno di campi fluttuanti che possono portare alla comparsa e alla scomparsa temporanea di particelle virtuali.
“Riteniamo che la pellicola di elio-4 fornisca un valido esempio di diversi fenomeni cosmici“, aggiunge il Dott. Stamp. “Il vuoto nello spazio profondo, i buchi neri quantistici, persino l’origine stessa dell’Universo. E questi sono fenomeni che non potremo mai affrontare in modo sperimentale diretto.”
Tuttavia, il dott. Stamp sottolinea che il vero interesse del lavoro potrebbe risiedere meno negli analoghi, che presentano sempre dei limiti, e più nel modo in cui modifica la nostra comprensione dei superfluidi e delle transizioni di fase nei sistemi bidimensionali.
“Si tratta di sistemi fisici reali a sé stanti, non di modelli analogici. E su questi possiamo fare esperimenti.“
A livello matematico, i ricercatori hanno avuto bisogno di diverse innovazioni per rendere la teoria valida. Ad esempio, i ricercatori che in precedenza avevano studiato i vortici nei superfluidi avevano trattato la massa del vortice come una costante immutabile. Stamp e Desrochers hanno dimostrato che questa massa varia drasticamente con il movimento dei vortici, cambiando radicalmente la nostra comprensione dei vortici sia nei fluidi che nell’universo primordiale.
“È entusiasmante capire come e perché la massa varia e come ciò influenzi la nostra comprensione dei processi di tunneling quantistico, onnipresenti in fisica, chimica e biologia“, afferma Desrochers.
Stamp sostiene inoltre che la stessa variabilità di massa si verificherà con le coppie elettrone-positrone nell’effetto Schwinger, modificando così la teoria di Schwinger, in una sorta di “rivincita dell’analogo“.
Il lavoro è stato sostenuto dal National Science and Engineering Research Council.
Riferimento:
- M. J. Desrochers, D. J. J. Marchand, P. C. E. Stamp. Vacuum tunneling of vortices in two-dimensional 4 He superfluid films. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; 122 (36) DOI: 10.1073/pnas.2421273122
Cos’è l’effetto tunnel?
Si tratta di una delle più curiose manifestazioni della natura quantistica della materia, poiché esprime la capacità da parte di una particella di raggiungere uno stato mediante un percorso non ammissibile dalla meccanica classica.
Per una particella in moto ciò si verifica oltrepassando una barriera di energia potenziale dovuta a un campo elettrico o una combinazione di forze attrattive e repulsive.
Nella meccanica classica la legge della conservazione dell’energia impone che una particella non possa superare un ostacolo se essa possiede un’energia cinetica inferiore all’energia potenziale richiesta per superare l’ostacolo stesso. Nell’ambito della meccanica quantistica l’interazione tra una particella in moto e una barriera di energia potenziale viene descritta sfruttando la natura ondulatoria delle particelle elementari, che rende possibile il calcolo della probabilità che l’incontro con l’ostacolo produca una riflessione o un attraversamento.
Sviluppando i calcoli si riscontra che la probabilità che si verifichi l’attraversamento aumenta quanto più l’energia della particella è vicina al potenziale della barriera e quanto minore è lo spessore della barriera stessa.
Sebbene l’effetto tunnel sia poco intuitivo e appaia paradossale, esistono diverse prove sperimentali che lo confermano e molti dispositivi elettronici moderni basano il loro funzionamento su di esso, tra i quali: le giunzioni tunnel a stato solido per elettroni, dove due metalli sono separati da un sottile strato isolante (1÷10 nm) (MIM); le giunzioni superconduttore-isolante-superconduttore (SIS); le giunzioni ferromagnete-isolante-ferromagnete.
Si può quindi affermare che la scoperta dell’effetto tunnel ha avuto importanti ricadute sia per la ricerca scientifica di base sia per le applicazioni tecnologiche. In una giunzione la corrente di tunnel è influenzata non solo dalla probabilità di trasmissione, ma anche dalle proprietà fisiche dei materiali e si presta a essere utilizzata come strumento di indagine fisica dello stato condensato della materia e delle superfici. In tal senso si parla di spettroscopia di tunnel.
