In un’immagine unica nel suo genere, i ricercatori sono stati in grado di catturare il momento chiaro in cui i singoli atomi di litio hanno iniziato a comportarsi come onde quantistiche, i cui risultati sono stati pubblicati in uno studio che deve ancora essere sottoposto a revisione paritaria.
Le equazioni che governano questo fenomeno sono note fin dagli albori della meccanica quantistica, quindi il team sapeva esattamente come sarebbe cambiato il sistema. Il lavoro si è concentrato nella tecnica di imaging.
Immagine gentilmente concessa da Verstraten et al.
Atomi di litio vicini allo zero assoluto
Gli autori della ricerca Dr Tarik Yefsah, Joris Verstraten, Dr Tim de Jongh e Dr Bruno Peaudecerf hanno confrontato le loro tecniche di imaging con i pixel di una normale fotocamera digitale. Gli atomi di litio sono stati prima raffreddati fino quasi allo zero assoluto utilizzando i laser.
Successivamente sono stati intrappolati in un reticolo ottico ma hanno avuto abbastanza tempo per trasformarsi in onde quantistiche localizzate: “Questo potrebbe, ad esempio, migliorare la nostra comprensione di stati straordinari della materia, come le stelle di neutroni estremamente dense o il plasma di particelle elementari trovato poco dopo il Big Bang”, hanno dichiarato gli autori.
Lo studio
Il reticolo ottico viene spento in modo che l’onda atomica possa espandersi prima di essere riaccesa, riportando il pacchetto allo stato di particella. Gli atomi di litio intrappolati emettono fluorescenza e questo può essere registrato dal sistema al microscopio. Il metodo viene ripetuto più volte in modo che i ricercatori possano campionare l’intera densità della funzione d’onda.
“Le onde quantistiche sono una delle manifestazioni più elementari della dualità onda-particella. Nonostante questo, sorprendentemente pochi esperimenti sono stati dedicati alla misurazione diretta e con una buona risoluzione dell’espansione di un pacchetto d’onda a singola particella, che è ciò che facciamo nello studio”, hanno aggiunto gli autori.
“Inoltre, poiché il loro comportamento è ben compreso, costituiscono un ottimo oggetto di prova per valutare la tecnica di microscopia che abbiamo sviluppato: recuperando il comportamento previsto, possiamo confermare che il metodo di imaging stesso non introduce alcun errore significativo”.
Scegliere una configurazione teoricamente ben compresa li ha aiutati a dimostrare la solidità di questa tecnica per fornire visualizzazioni dei comportamenti quantistici senza influenzarli in modo significativo. Nella meccanica quantistica, dopo tutto, l’osservatore è parte dell’esperimento. Il passo successivo è usarlo per gli stati meno compresi.
“Utilizzando la tecnica di imaging che abbiamo sviluppato e testato nello studio, intendiamo osservare direttamente le proprietà microscopiche dei sistemi fermionici fortemente interagenti. Il comportamento di questi sistemi è molto meno compreso rispetto ai pacchetti d’onda che abbiamo studiato”, hanno continuato gli autori.
La natura ondulatoria della materia rimane uno degli aspetti più sorprendenti della meccanica quantistica. Fin dal suo inizio, numerosi esperimenti hanno dimostrato l’interferenza, la diffrazione o la diffusione di particelle massicce. Più recentemente, esperimenti con controllo e risoluzione sempre maggiori hanno consentito di immaginare la funzione d’onda dei singoli atomi.
In questa ricerca è stata sfruttata la microscopia quantistica del gas per immaginare la distribuzione spaziale in situ di pacchetti d’onda a singoli atomi di litio preparati deterministicamente mentre si espandono su un piano.
L’obiettivo è stato raggiunto proiettando in modo controllabile la funzione d’onda in espansione sui siti di un reticolo ottico profondo e successivamente eseguendo l’imaging di singoli atomi di litio. Il protocollo stabilito per l’imaging di onde quantistiche estese tramite microscopia quantistica di gas è facilmente applicabile alla funzione d’onda di sistemi a molti corpi interagenti nello spazio continuo, promettendo un accesso diretto alle loro proprietà microscopiche, comprese le funzioni di correlazione spaziale fino a ordini elevati e grandi distanze.
Atomi di litio
Gli atomi di litio sono atomi dell’elemento chimico litio appunto. Il litio stabile è composto da tre elettroni legati dalla forza elettromagnetica a un nucleo contenente tre protoni insieme a tre o quattro neutroni, a seconda dell’isotopo, tenuti insieme dalla forza forte.
Analogamente al caso dell’atomo di elio, non è stata trovata una soluzione in forma chiusa dell’equazione di Schrödinger per gli atomi di litio.
Varie approssimazioni tuttavia, come il metodo Hartree-Fock, possono essere utilizzate per stimare l’ energia dello stato fondamentale e la funzione d’onda dell’atomo. Il difetto quantistico è un valore che descrive la deviazione dai livelli di energia idrogenata.
