Molto recentemente, i ricercatori guidati da Markus Aspelmeyer dell'Università di Vienna e Lukas Novotny dell'ETH di Zurigo hanno raffreddato per la prima volta una nanoparticella di vetro nel regime quantistico. Per fare questo, la particella viene privata della sua energia cinetica con l'aiuto dei laser. Ciò che resta sono i movimenti, le cosiddette fluttuazioni quantistiche, che non seguono più le leggi della fisica classica ma quelle della fisica quantistica. La sfera di vetro con cui è stato ottenuto questo risultato è notevolmente più piccola di un granello di sabbia, ma consiste ancora di diverse centinaia di milioni di atomi. In contrasto con il mondo microscopico dei fotoni e degli atomi, le nanoparticelle forniscono una panoramica della natura quantistica degli oggetti macroscopici. In collaborazione con il fisico sperimentale Markus Aspelmeyer, un team di fisici teorici guidati da Oriol Romero-Isart dell'Università di Innsbruck e dall'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica dell'Accademia austriaca delle scienze sta ora proponendo un modo per sfruttare le proprietà quantistiche delle nanoparticelle per varie applicazioni.

Brevemente delocalizzato

"Mentre gli atomi nello stato fondamentale di movimento rimbalzano su distanze maggiori della dimensione dell'atomo, il movimento degli oggetti macroscopici nello stato fondamentale è molto, molto piccolo, " spiegano Talitha Weiss e Marc Roda-Llordes del team di Innsbruck. "Le fluttuazioni quantistiche delle nanoparticelle sono inferiori al diametro di un atomo." Per sfruttare la natura quantistica delle nanoparticelle, la funzione d'onda delle particelle deve essere notevolmente espansa. Nello schema dei fisici quantistici di Innsbruck, le nanoparticelle sono intrappolate in campi ottici e raffreddate allo stato fondamentale. Cambiando ritmicamente questi campi, le particelle ora riescono a delocalizzare brevemente su distanze esponenzialmente maggiori. "Anche le più piccole perturbazioni possono distruggere la coerenza delle particelle, ecco perché cambiando i potenziali ottici, separiamo solo brevemente la funzione d'onda delle particelle e poi la comprimiamo di nuovo immediatamente, " spiega Oriol Romero-Isart. Cambiando ripetutamente il potenziale, le proprietà quantistiche della nanoparticella possono così essere sfruttate.

Molte applicazioni

Con la nuova tecnica, le proprietà quantistiche macroscopiche possono essere studiate più in dettaglio. Si scopre anche che questo stato è molto sensibile alle forze statiche. Così, il metodo potrebbe consentire strumenti altamente sensibili che possono essere utilizzati per determinare forze come la gravità in modo molto preciso. Utilizzando due particelle espanse e compresse contemporaneamente con questo metodo, sarebbe anche possibile intrecciarli tramite un'interazione debole ed esplorare aree completamente nuove del mondo quantistico macroscopico.

Insieme ad altre proposte, il nuovo concetto costituisce la base per il progetto ERC Synergy Grant Q-Xtreme, che è stato concesso lo scorso anno. In questo progetto, i gruppi di ricerca di Markus Aspelmeyer e Oriol Romero-Isart, insieme a Lukas Novotny e Romain Quidant dell'ETH di Zurigo, stanno spingendo uno dei principi più fondamentali della fisica quantistica al limite estremo posizionando un corpo solido di miliardi di atomi in due posti contemporaneamente.