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I fisici rendono visibili i raggi laser nel vuoto

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Un nuovo metodo sviluppato presso l’Università di Bonn semplifica la regolazione ultra precisa per gli esperimenti di ottica quantistica.

I raggi laser per manipolare gli atomi

Un raggio di luce può essere visto solo quando colpisce le particelle di materia e viene disperso o riflesso da esse. Nel vuoto, tuttavia, è invisibile. I fisici dell’Università di Bonn hanno ora sviluppato un metodo che consente di visualizzare i raggi laser anche in queste condizioni.

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Il metodo semplifica l’esecuzione dell’allineamento laser ultra preciso necessario per manipolare i singoli atomi. I ricercatori hanno ora presentato il loro metodo sulla rivista Physical Review Applied.

Quando i singoli atomi interagiscono tra loro, spesso mostrano un comportamento insolito a causa del loro comportamento quantistico. Questi effetti possono, ad esempio, essere utilizzati per costruire i cosiddetti computer quantistici, in grado di risolvere alcuni problemi con cui i computer convenzionali lottano.

Per tali esperimenti, tuttavia, è necessario manovrare i singoli atomi esattamente nella giusta posizione. “Lo facciamo utilizzando raggi laser che fungono da nastri trasportatori di luce, per così dire”, spiega il dott. Andrea Alberti, che ha guidato lo studio presso l’Istituto di fisica applicata dell’Università di Bonn.

Un tale nastro trasportatore di luce contiene innumerevoli tasche, ognuna delle quali può contenere un singolo atomo. Queste tasche possono essere spostate avanti e indietro a piacimento, consentendo di trasportare un atomo in una posizione specifica nello spazio, se vuoi spostare gli atomi in direzioni diverse, di solito hai bisogno di molti di questi nastri trasportatori.

Quando più atomi vengono trasportati nella stessa posizione, possono interagire tra loro. Affinché questo processo avvenga in condizioni controllate, tutte le tasche del nastro trasportatore devono avere la stessa forma e profondità. “Per garantire questa omogeneità, i laser devono sovrapporsi con precisione micrometrica”, spiega Gautam Ramola, autore principale dello studio.

Un fagiolo in uno stadio di calcio

Questo compito è meno banale di quanto sembri. Per prima cosa, richiede una grande precisione. “È un po’ come dover puntare un puntatore laser dagli spalti di uno stadio di calcio per colpire un fagiolo che si trova sul punto del calcio d’inizio”, chiarisce Alberti. “Ma non è tutto: in realtà devi farlo con gli occhi bendati”. Questo perché gli esperimenti quantistici si svolgono in un vuoto quasi perfetto, dove i raggi laser sono invisibili.

I ricercatori di Bonn hanno quindi utilizzato gli atomi stessi per misurare la propagazione dei raggi laser. “Per fare ciò, abbiamo prima cambiato la luce laser in un modo caratteristico, la chiamiamo anche polarizzazione ellittica, spiega Alberti. Quando gli atomi sono illuminati da un raggio laser così preparato, reagiscono cambiando il loro stato in modo caratteristico. Questi cambiamenti possono essere misurati con una precisione molto elevata.

“Ogni atomo si comporta come un piccolo sensore che registra l’intensità del raggio”, continua Alberti. “Esaminando migliaia di atomi in posizioni diverse, possiamo determinare la posizione del raggio entro pochi millesimi di millimetro”.

In questo modo, i ricercatori sono riusciti, ad esempio, a regolare quattro raggi laser in modo che si intersechino esattamente nella posizione desiderata. “Un tale adeguamento normalmente richiederebbe diverse settimane e non avresti comunque alcuna garanzia che sia stato raggiunto l’optimum”, afferma Alberti. “Con il nostro processo, abbiamo avuto solo bisogno di circa un giorno per farlo”.

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