Il tunneling quantistico non è un fenomeno istantaneo

Anche se non ti farebbe passare oltre un muro di mattoni e sulla piattaforma 9¾ per catturare l’Hogwarts Express, il tunneling quantistico – in cui una particella “tunnel” attraversa una barriera apparentemente insormontabile – rimane un fenomeno confondente, sfidando l’intuizione. Ora i fisici sperimentali di Toronto che usano gli atomi di rubidio per studiare questo effetto hanno misurato, per la prima volta, quanto tempo questi atomi trascorrono in transito attraverso una barriera. Le loro scoperte sono apparse su Nature il 22 luglio.

I ricercatori hanno dimostrato che il tunneling quantistico non è istantaneo, almeno in un modo di pensare al fenomeno, nonostante alcuni titoli recenti che hanno suggerito il contrario. “Questo è un bellissimo esperimento“, afferma Igor Litvinyuk della Griffith University in Australia, che lavora al tunneling quantistico ma non ha partecipato a questo lavoro. “solo metterlo su è uno sforzo eroico“.

Per apprezzare quanto sia bizzarro il tunnel quantico, considera una palla che rotola su un terreno piano che incontra un piccolo poggio arrotondato. Quello che succede dopo dipende dalla velocità della palla. O raggiungerà la cima e rotolerà giù dall’altra parte o salirà parzialmente in salita e scivolerà di nuovo in giù, perché non ha abbastanza energia per superare la cima.

Questa situazione, tuttavia, non vale per le particelle nel mondo quantistico. Anche quando una particella non possiede abbastanza energia per superare la sommità della collinetta, a volte arriva comunque all’estremità opposta. “È come se la particella scavasse un tunnel sotto la collina e apparisse dall’altra parte“, afferma il coautore dello studio Aephraim Steinberg dell’Università di Toronto.

Tale stranezza è meglio compresa pensando alla particella in termini di funzione d’onda, una rappresentazione matematica del suo stato quantico. La funzione d’onda si evolve e si diffonde. E la sua ampiezza in qualsiasi punto nel tempo e nello spazio ti consente di calcolare la probabilità di trovare la particella lì e in quel momento, nel caso dovessi effettuare una misurazione. Per definizione, questa probabilità può essere diversa da zero in più punti contemporaneamente.

Se la particella si confronta con una barriera di energia, questo incontro modifica la diffusione della funzione d’onda, che inizia a decadere esponenzialmente all’interno della barriera. Anche così, parte di essa fuoriesce e la sua ampiezza non va a zero sul lato opposto della barriera. Pertanto, rimane una probabilità finita, per quanto piccola, di rilevare la particella oltre la barriera.

I fisici conoscono il tunneling quantistico dalla fine degli anni ’20 del secolo scorso. Oggi il fenomeno è al centro di dispositivi come diodi a tunnel, microscopi a tunnel e qubit superconduttori per il calcolo quantistico.

Sin dalla sua scoperta, gli sperimentatori hanno cercato una comprensione più chiara di cosa succede durante il tunneling. Nel 1993, ad esempio, Steinberg, Paul Kwiat e Raymond Chiao, tutti all’università della California, Berkeley, hanno rilevato fotoni che attraversavano una barriera ottica (un pezzo speciale di vetro che rifletteva il 99 percento dei fotoni incidenti; solo l’1 percento la attraversava facendo tunneling). I fotoni che facevano tunneling, in media, arrivavano dall’altra parte prima dei fotoni che percorrevano esattamente la stessa distanza ma non ostacolati da una barriera. I fotoni che facevano tunneling sembravano viaggiare più velocemente della velocità della luce.

Un’attenta analisi ha rivelato che era, matematicamente parlando, il picco delle funzioni d’onda dei fotoni che facevano tunneling (il luogo più probabile per trovare le particelle) che viaggiava a velocità superluminale. Tuttavia, i bordi principali delle funzioni d’onda sia del fotone senza impedimenti sia del fotone di tunneling raggiungono i loro rivelatori allo stesso tempo, quindi non vi è alcuna violazione delle teorie della relatività di Einstein. “Il picco della funzione d’onda può essere più veloce della luce senza informazioni o energia che viaggia più veloce della luce“, afferma Steinberg.

L’anno scorso Litvinyuk e i suoi colleghi hanno pubblicato risultati che mostrano che quando gli elettroni negli atomi di idrogeno sono confinati da un campo elettrico esterno che agisce come una barriera, occasionalmente lo attraversano . Poiché il campo esterno oscilla in intensità, lo stesso vale per il numero di elettroni a tunnel, come previsto dalla teoria. Il team ha stabilito che il ritardo tra il momento in cui la barriera raggiunge il minimo e il numero massimo di elettroni che attraversano il tunnel era, al massimo, 1,8 attosecondi (1,8 x 10 – ¹⁸ secondi). Perfino la luce, che viaggia a circa 300.000 chilometri al secondo, può percorrere solo tre decimi di miliardesimo di metro, o circa le dimensioni di un singolo atomo, in un attosecondo. “[Il ritardo] potrebbe essere zero o alcuni zeptosecondi [10 ^–21 secondo]“, afferma Litvinyuk.

Alcuni resoconti dei media hanno contestato che l’esperimento della Griffith University aveva mostrato che il tunneling ossa essere un fenomeno istantaneo. La confusione ha molto a che fare con le definizioni teoriche del tempo di tunneling. Il tipo di ritardo misurato dalla squadra era certamente quasi zero, ma quel risultato non era lo stesso del dire che l’elettrone non trascorreva tempo nella barriera. Litvinyuk e i suoi colleghi non avevano esaminato quell’aspetto del tunnel quantistico.

Il nuovo esperimento di Steinberg afferma di fare proprio questo. Il suo team ha misurato quanto tempo, in media, gli atomi di rubidio trascorrono all’interno di una barriera prima di attraversarla.

Il tempo è dell’ordine di un millisecondo.

Steinberg e i suoi colleghi hanno iniziato raffreddando gli atomi di rubidio fino a circa un nanokelvin prima di convincerli con i laser a muoversi lentamente in una sola direzione. Quindi hanno bloccato questo percorso con un altro laser, creando una barriera ottica che aveva uno spessore di circa 1,3 micron. Il trucco era misurare il tempo trascorso da una particella nella barriera mentre faceva tunneling.

Per fare ciò, il team ha creato una versione di un cosiddetto orologio Larmor usando un complicato assemblaggio di laser e campi magnetici per manipolare le transizioni di stato atomico. In linea di principio, ecco cosa succede: immagina una particella la cui rotazione punta in una certa direzione, pensala come una lancetta d’orologio. La particella incontra una barriera e al suo interno c’è un campo magnetico che fa ruotare la lancetta dell’orologio. Più a lungo la particella rimane all’interno della barriera, più interagisce con il campo magnetico e più la lancetta ruota. La quantità di rotazione è una misura del tempo trascorso nella barriera.

Sfortunatamente, se la particella interagisce con un campo magnetico abbastanza forte da codificare correttamente il tempo trascorso, il suo stato quantico collassa. Questo crollo interrompe il processo di tunneling.

Quindi il team di Steinberg ha fatto ricorso a una tecnica nota come misurazione debole: un insieme di atomi di rubidio preparati in modo identico si avvicina alla barriera. All’interno della barriera, gli atomi incontrano e interagiscono a malapena con un debole campo magnetico. Questa debole interazione non disturba il tunneling. Ma fa muovere la lancetta dell’orologio di ogni atomo di una quantità imprevedibile, che può essere misurata una volta che quell’atomo esce dalla barriera. Prendi la media delle posizioni delle lancette dell’orologio dell’insieme e otterrai un numero che può essere interpretato come rappresentativo del valore corretto per un singolo atomo, anche se non si può mai fare quel tipo di misurazione per un singolo atomo. Sulla base di misurazioni così deboli, i ricercatori hanno scoperto che gli atomi nel loro esperimento stavano spendendo circa 0,61 millisecondi all’interno della barriera.

Hanno anche verificato un’altra strana previsione della meccanica quantistica: minore è l’energia, o più lento è il movimento, di una particella di tunneling, minore è il tempo che passa nella barriera. Questo risultato è controintuitivo, perché nella nostra nozione quotidiana di come funziona il mondo, ci si aspetterebbe che una particella più lenta rimanga nella barriera per un periodo di tempo più lungo.

Litvinyuk è impressionato dalle misurazioni della rotazione della lancetta dell’orologio. “Non vedo buchi in questo“, dice. Ma rimane cauto. “Come, in definitiva, si riferisce al tempo di tunneling è ancora in fase di interpretazione“, dice.

Irfan Siddiqi, fisico quantistico dell’Università della California, Berkeley, è impressionato dalla raffinatezza tecnica dell’esperimento. “Ciò a cui stiamo assistendo ora è piuttosto sorprendente, in quanto abbiamo gli strumenti per testare tutte queste riflessioni filosofiche [del] secolo scorso“, dice.

Satya Sainadh Undurti, coautrice dello studio di Litvinyuk del 2019, ora al Technion – Israel Institute of Technology, è d’accordo. “L’orologio Larmor è sicuramente il modo giusto per fare domande sul tempo di tunneling“, afferma. “L’impostazione sperimentale in questo documento è un modo intelligente e pulito per implementarlo“.

Steinberg ammette che l’interpretazione della sua squadra sarà messa in discussione da alcuni fisici quantistici, in particolare quelli che pensano che le misurazioni deboli siano esse stesse sospette. Tuttavia, pensa che l’esperimento dica qualcosa di inequivocabile sui tempi di tunneling. “Se usi le giuste definizioni, non è proprio istantaneo. Potrebbe essere, però, straordinariamente veloce “, afferma. “Penso che sia ancora una distinzione importante“.

Fonte: Scientific American