Il tunneling quantistico

Nel mondo quantistico, potrebbe essere possibile osservare particelle in entanglement comunicare più velocemente della luce, o che minuscole particelle esistano in più luoghi contemporaneamente, mentre altre sembrano poter attraversare ostacoli solidi. Quest'ultimo esempio riguarda il fenomeno noto come tunneling quantistico

Il tunneling quantistico è un effetto quantistico provato per la prima volta nel 1928 dal fisico ucraino George Gamow per spiegare il decadimento alfa, nel quale una particella alfa (un nucleo di elio) è emessa da un nucleo atomico perché riesce a superarne la barriera di potenziale del nucleo, anche se ha un’energia cinetica inferiore a tale barriera.

Sempre nel 1928 Robert Oppenheimer spiegò come anche un debole campo elettrico fosse in grado, per l’effetto tunneling quantistico, di liberare gli elettroni dal nucleo originario.

tunnel quantistico

La fisica quantistica è una branca della scienza che descrive le particelle e le forze con cui queste interagiscono tra loro. In realtà, quello che abbiamo imparato sul mondo quantistico ci fa capire quanto sia strano. Ad una scala estremamente piccola, le cose non si comportano in modo intuitivo. I fisici possono avere una buona conoscenza della matematica alla base della fisica quantistica, ma questa matematica a volte può indicare cose che che lasciano perplessi.

Niels Bohr una volta affermò: “coloro che non sono scioccati quando si imbattono per la prima volta nella teoria quantistica non possono averla capita”.

L’effetto tunneling quantistico

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tunneling quantistico

Nel mondo quantistico, è possibile osservare particelle lontane tra loro, ma in entanglement, comunicare istantaneamente, a dispetto della velocità della luce come velocità limite, o che minuscole particelle esistano in più luoghi contemporaneamente, oppure osservare particelle entrare e uscire dall’esistenza in modo casuale e infine osservare alcune particelle “teletrasportarsi attraverso i muri” come fantasmi. Sì, il mondo quantistico è strano e per capirlo prenderemo in esame l’ultimo esempio, un processo chiamato effetto tunneling quantistico.

Il tunnelling quantistico è un fenomeno complesso che possiamo spiegare in maniera semplice e comprensibile come un fenomeno meccanico in cui una funzione d’onda può propagarsi attraverso una barriera.

Immaginate di lanciare un oggetto contro il muro, ad esempio una pallina da tennis. La pallina colpirà il muro e rimbalzerà all’indietro. Allo stesso modo, se lasciate rotolare giù dal pendio di una collina la stessa pallina, quando raggiungerà il fondo, esaurita la sua energia cinetica smetterà di rotolare e rimarrà lì.

Nel mondo quantistico invece, le particelle hanno un comportamento molto diverso; ogni tanto, ad esempio, può capitare che se lanciate delle particelle contro una barriera solida queste la attraversino invece di rimbalzarvi contro e tornare indietro. Questo fenomeno, che può sembrare rubato alla trama di un libro di fantascienza, come detto prima fu notato già nel 1928, quando due fisici scrissero su Nature che le particelle a volte sembrano “passare attraverso la montagna e fuggire dalla valle“. 

Immaginate di combattere una guerra simulata contro un avversario. Durante il gioco vi sparate l’un l’altro cercando di colpirvi da due posizioni distanti. Il vostro avversario è nascosto dietro un muro mentre voi cercate di colpirlo. Provate a immaginare di essere in un mondo a tutti gli effetti quantistico e di avere a disposizione milioni di colpi caricati nella vostra arma. Mentre sparate, il 99,999% dei colpi rimbalzerà contro il muro. Tuttavia, una piccolissima percentuale si “teletrasporterà” dall’altra parte, colpendo il vostro avversario. I vostri proiettili sono apparsi come per magia dall’altra parte del muro, come è stato possibile? Grazie al fenomeno che chiamiamo tunneling quantistico.

Fin dalla prima pubblicazione dell’articolo sull’idea del tunneling quantistico i ricercatori hanno cercato di saperne di più su questo misterioso fenomeno, capire come funziona e trovare una risposta alla domanda su quanto sia veloce il “tunneling quantistico”.

Lo stesso tunneling quantistico è un buon promemoria di quanto stranamente possono comportarsi le particelle a livello quantistico. Nel tunneling quantistico, una particella subatomica può apparire sul lato opposto di una barriera che non dovrebbe essere in grado di attraversare.

Supponiamo di dover lanciare una particella subatomica, come un elettrone o un protone, in uno spazio su un lato di una potenziale collina di energia. La particella non ha l’energia per superare la collina, quindi siamo sicuri che la particella rimarrà dove si trova. Ma a un certo punto la particella improvvisamente scompare. Come mostrato nella figura sotto, una volta passati dall’altra parte della collina, notiamo che la particella in qualche modo è arrivata in cima. Le particelle in quel tunnel possono attraversare le barriere proprio in questo modo, e potrebbe essere più comune di quanto pensiamo.

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tunneling quantistico

In effetti, il tunneling quantistico può essere essenziale per processi fondamentali come la fotosintesi. Una volta scoperto il tunneling quantistico, i fisici si sono resi conto che risolveva molti misteri. Ha spiegato vari legami chimici e decadimenti radioattivi e come i nuclei di idrogeno nel Sole sono in grado di superare la loro reciproca repulsione producendo luce solare.

Semiconduttori, transistor e diodi non funzionerebbero senza questo fenomeno. E, naturalmente, anche il calcolo quantistico implica il tunneling. Insomma, le particelle scivolano attraverso la montagna e fuggono dalla valle abbastanza spesso.  

Una delle differenze più significative tra la fisica classica e la fisica quantistica è che la fisica quantistica è probabilistica

Torniamo all’esempio della collina. Se stessimo provando a spingere una palla oltre la collina, sapremmo esattamente dove si trova la palla in ogni momento. Tuttavia, poiché stiamo usando una particella, questo non accade. A differenza di una palla, non possiamo sapere esattamente dove si trova una particella in un dato momento.

Per questo possiamo ringraziare il principio di indeterminazione di Heisenberg per aver chiarito questo. Questo importante principio afferma che non possiamo mai conoscere sia la posizione esatta che il momento di una particella subatomica. E questo non ha nulla a che fare con la scarsità di strumenti di misurazione adeguati. Il principio di indeterminazione di Heisenberg sembra essere una parte fondamentale della realtà, anche se oggi ci sono alcune buone notizie.

In effetti, ora siamo in grado di misurare la probabilità di trovare una particella in un dato momento, ad un livello molto preciso. I fisici quantistici modellano queste probabilità utilizzando una funzione d’onda. In breve, una funzione d’onda è una descrizione della probabilità di trovare un oggetto in un dato luogo e in un dato tempo.

Una strana proprietà delle onde è che raramente si fermano quando colpiscono qualcosa. Un po’ come le onde sonore. Le onde sonore non si interrompono quando entrano in contatto con oggetti solidi. Ecco perché anche con la porta chiusa le onde sonore passano ugualmente.

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tunneling quantistico

Se cosi non fosse, la luce del Sole che colpisce le pareti della nostra casa si fermerebbe e non riscalderebbe mai il suo interno. La stessa cosa accade con le forme d’onda usate per descrivere le particelle quantistiche. La funzione d’onda di un oggetto può estendersi all’interno o addirittura può superare una barriera. Poiché quella funzione descrive la probabilità di una particella in un dato spazio, occasionalmente anche quella particella finisce dall’altra parte della barriera. Ma questo ha senso?

Forse in teoria, ma molto probabilmente no. Anche se questo potrebbe essere un potere interessante (e pericoloso), la probabilità che ciò accada è piuttosto vicina allo zero. Jack Fraser, laureato in fisica all’Università di Oxford  ha dichiarato che: “potremmo avere un trilioni di persone che cercano di superare le pareti, un trilione di volte al secondo dall’inizio dell’universo [13,8 miliardi di anni fa] – e la probabilità che una di loro possa attraversare il muro sarebbe ancora così piccola da essere prossima allo zero”. Perché? La probabilità di tunneling di un oggetto è direttamente correlata alla massa dell’oggetto. La persona media pesa circa 70 kg; un elettrone pesa circa 9×10–31 kg.

Quando e come avviene il tunneling quantistico

Alcune ricerche  hanno suggerito che il tunneling quantistico potrebbe avvenire all’interno del nostro corpo, poiché gli enzimi responsabili dell’attivazione dei legami carbonio-idrogeno potrebbero promuovere il tunneling dell’idrogeno. Tuttavia, negli ultimi decenni, questo è stato un argomento molto dibattuto, insieme a ciò che accade alla particella quando “si muove” attraverso la barriera. Come molte cose nel mondo quantistico, le risposte a queste domande non sono semplici.

I ricercatori hanno già cercato di misurare il tempo necessario affinché si verifichi il tunneling con risultati variabili e spesso discutibili, con alcuni che sostengono che l’evento sia forse anche più veloce della luce. Tuttavia, alcuni scienziati potrebbero aver risolto il problema con uno storico esperimento.

Nel documento pubblicato i fisici del Quantum Information Science Program del Canadian Institute for Advanced Research, descrivono non solo come hanno misurato il processo, ma il numero che hanno ottenuto. “Il tunneling quantistico è uno dei fenomeni quantistici più sconcertanti. Ed è fantastico che ora siamo effettivamente in grado di studiarlo in questo modo”, afferma il coautore dello studio Aephraim Steinberg, co-direttore del Quantum Information Science Program.

I ricercatori hanno utilizzato alcuni dei principi più basilari della fisica quantistica per realizzarlo. Nel loro esperimento, hanno usato  8.000 atomi di rubidio raffreddati a un miliardesimo di grado sopra lo zero Kelvin. 

Gli atomi dovevano essere a questa temperatura o si sarebbero spostati in modo casuale ad alte velocità piuttosto che rimanere ammassati. I fisici canadesi hanno usato un laser per creare una barriera, focalizzandola in modo che la barriera fosse spessa 1,3 micrometri, in pratica lo spessore di circa 2.500 atomi di rubidio. Con un altro laser, il team ha spinto gli atomi di rubidio verso la barriera, spostandoli al ritmo costante di circa  3,8 m al secondo. La maggior parte degli atomi di rubidio è rimbalzato sulla barriera. Tuttavia, grazie all’effetto tunneling quantistico, il 3% degli atomi è penetrato nella barriera e ha raggiunto l’altro lato.

La scelta del rubidio non è stata casuale. È stato utilizzato perché lo spin dell’atomo può essere alterato dai laser. Più tempo impiegava il rubidio a scavalcare la barriera, più la rotazione cambiava. Misurando l’asse di rotazione di un atomo prima e dopo l’entrati nella barriera, gli scienziati hanno potuto dire in quanto tempo gli atomi hanno attraversato il tunnel. Una media di 0,61 millisecondi.

Conclusioni

Il risultato di questo esperimento si è rivelato, come succede spesso in fisica quantistica, ‘sconcertante, poiché avviene ad una velocità relativamente lenta per il mondo quantistico, specialmente se si considera che i lavori precedenti sembravano indicare che l’effetto tunneling quantistico poteva avvenire istantaneamente. 

L’aspetto più importante è che è stato possibile misurare questo evento. “Stiamo lavorando a una nuova misurazione in cui renderemo la barriera più spessa e poi determineremo la quantità di precessione a diverse profondità. Sarà molto interessante vedere se la velocità degli atomi è costante o meno”, afferma il team. 

Il tunneling quantistico è una parte importante della natura del nostro universo. Comprendere il tunneling quantistico ci aiuterà a promuovere lo sviluppo di tecnologie emergenti come i computer quantistici. Sarà interessante quali nuovi fenomeni quantistici saremo in grado di testare. 

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