Meccanica quantistica e Universo, uno studio infinitesimale

La meccanica quantistica studia l’Universo, nelle sue particelle infinitesimali. Si tratta di atomi e particelle subatomiche che operano in modi che la fisica classica non è in grado di spiegare.

Meccanica quantistica e Universo, esplorazione tra il quantistico e il classico

Per esplorare questa tensione tra il quantistico e il classico, gli scienziati stanno cercando di fare in modo che oggetti sempre più grandi si comportino in modo quantistico.

I fisici fanno levitare una nanosfera di vetro, spingendola nel regno della meccanica quantistica. Nel caso di questo particolare studio, infatti, l’oggetto in questione è una minuscola nanosfera di vetro.

Il suo diametro è di 100 nanometri, vale a dire circa mille volte più piccola dello spessore di un capello umano. Per le nostre menti è molto, molto piccolo, ma in termini di fisica quantistica, in realtà è piuttosto enorme. Infatti è composto da 10 milioni di atomi.

I fisici hanno ottenuto ottimi risultati proprio con una nanosfera

Spingere una tale nanosfera nel regno della meccanica quantistica è in realtà un enorme risultato, ed è esattamente ciò che i fisici hanno realizzato.

La nanosfera è stata sospesa nel suo stato quanto-meccanico più basso

Usando luci laser accuratamente calibrate, la nanosfera è stata sospesa nel suo stato quanto-meccanico più basso, è stato indotto uno dei movimenti estremamente limitati in cui può iniziare a verificarsi un comportamento quantistico.

“Questa è la prima volta che un tale metodo è stato utilizzato per controllare lo stato quantistico di un oggetto macroscopico nello spazio libero“, afferma Lukas Novotny, professore di fotonica dell’ETH di Zurigo in Svizzera.

Per raggiungere gli stati quantistici, il movimento e l’energia devono essere ridotti al minimo. Novotny e i suoi colleghi hanno utilizzato un contenitore sottovuoto raffreddato a -269 gradi Celsius (-452 gradi Fahrenheit) prima di utilizzare un sistema di feedback per effettuare ulteriori regolazioni.

La posizione della nanosfera è stata individuata

Utilizzando i modelli di interferenza generati da due raggi laser, i ricercatori hanno calcolato l’esatta posizione della nanosfera all’interno della sua camera. Da lì sono approdati alle regolazioni precise necessarie per portare il movimento dell’oggetto vicino allo zero, utilizzando il campo elettrico creato da due elettrodi.

Non è poi così diverso dal rallentare un’altalena del parco giochi spingendola e tirandola finché non arriva a un punto di riposo. Una volta raggiunto lo stato quantistico più basso, possono iniziare ulteriori esperimenti.

L’approccio utilizzato qui protegge meglio la nanosfera dai disturbi e significa che l’oggetto può essere visto in isolamento dopo che il laser è stato spento, anche se ciò richiederà molte ulteriori ricerche per essere realizzato.

Lo sviluppo di sensori di prossima generazione

Uno dei modi in cui i ricercatori sperano che le loro scoperte possano essere utili è studiare come la meccanica quantistica fa sì che le particelle elementari si comportino come onde. È possibile che configurazioni super-sensibili come questa a nanosfera possano anche aiutare nello sviluppo di sensori di prossima generazione al di là di tutto ciò che abbiamo oggi.

Riuscire a far levitare una sfera così grande in un ambiente criogenico rappresenta un salto significativo verso la scala macroscopica dove si può studiare la linea di confine tra la fisica classica e la meccanica quantistica.

“Insieme al fatto che il potenziale di intrappolamento ottico è altamente controllabile, la nostra piattaforma sperimentale offre un percorso per studiare la meccanica quantistica su scala macroscopica“, concludono i ricercatori nel loro articolo pubblicato.

La ricerca è stata pubblicata su Nature.