Quando un ingorgo non è un ingorgo? Quando è un ingorgo quantistico, Certo. Solo nella fisica quantistica il traffico può essere fermo e in movimento allo stesso tempo.

Un nuovo documento teorico degli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Maryland suggerisce che la creazione intenzionale di un tale ingorgo da un anello di diverse migliaia di atomi ultrafreddi potrebbe consentire misurazioni precise del movimento. Se implementato con il giusto setup sperimentale, gli atomi potrebbero fornire una misura della gravità, forse anche a distanze inferiori a 10 micrometri, circa un decimo della larghezza di un capello umano.

Mentre gli autori sottolineano che resta ancora molto lavoro da fare per dimostrare che una tale misurazione sarebbe realizzabile, il potenziale guadagno sarebbe un chiarimento dell'attrazione della gravità su scale di lunghezza molto brevi. Le anomalie potrebbero fornire importanti indizi sul comportamento della gravità, compreso il motivo per cui il nostro universo sembra espandersi a un ritmo accelerato.

Oltre a rispondere potenzialmente a profonde domande fondamentali, questi anelli atomici possono avere applicazioni pratiche, pure. Potrebbero portare a sensori di movimento molto più precisi di quanto fosse possibile in precedenza, o servire come interruttori per computer quantistici, con 0 rappresentato dall'ingorgo atomico e 1 dal traffico atomico in movimento.

Gli autori dell'articolo sono affiliati al Joint Quantum Institute e al Joint Center for Quantum Information and Computer Science, entrambi sono partenariati tra il NIST e l'Università del Maryland.

Negli ultimi due decenni, i fisici hanno esplorato uno stato esotico della materia chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC), che esiste quando gli atomi si sovrappongono l'uno all'altro a temperature gelide a un minimo di grado di distanza dallo zero assoluto. In queste condizioni, una minuscola nuvola di atomi può essenzialmente diventare un grande "superatomo" quantistico, " permettendo agli scienziati di esplorare più facilmente proprietà potenzialmente utili come la superconduttività e la superfluidità.

I fisici teorici Stephen Ragole e Jake Taylor, gli autori del documento, hanno ora suggerito che una variazione sull'idea BEC potrebbe essere utilizzata per rilevare la rotazione o persino esplorare la gravità su brevi distanze, dove altre forze come l'elettromagnetismo generalmente sopraffanno gli effetti della gravità. L'idea è quella di utilizzare i raggi laser - già comunemente usati per manipolare atomi freddi - per mettere insieme alcune migliaia di atomi in un anello di 10-20 micrometri di diametro.

Una volta formato l'anello, i laser lo metterebbero delicatamente in movimento, facendo circolare gli atomi intorno ad esso come automobili che viaggiano una dopo l'altra lungo una tangenziale a corsia unica. E proprio come le gomme delle auto girano mentre viaggiano lungo il marciapiede, le proprietà degli atomi rileverebbero l'influenza del mondo che li circonda, compresi gli effetti della gravità da masse a pochi micrometri di distanza.

L'anello trarrebbe vantaggio da uno dei comportamenti controintuitivi della meccanica quantistica per aiutare gli scienziati a misurare effettivamente ciò che i suoi atomi rilevano sulla gravità. I laser potrebbero mescolare gli atomi in quella che viene chiamata una "sovrapposizione, " significa in effetti che circolerebbero entrambi attorno all'anello e simultaneamente fermi. Questa sovrapposizione di flusso e ingorghi aiuterebbe a mantenere le relazioni tra gli atomi dell'anello per alcuni millisecondi cruciali dopo aver rimosso i loro vincoli laser, tempo sufficiente per misurare le loro proprietà prima che si diffondano.

Non solo questo ingorgo quantistico potrebbe superare una difficile sfida di misurazione della gravità, ma potrebbe aiutare i fisici a scartare alcune delle tante teorie in competizione sull'universo, aiutando potenzialmente a chiarire un ingorgo di idee di vecchia data.

Uno dei grandi misteri del cosmo è il motivo per cui si sta espandendo a un ritmo apparentemente accelerato. I fisici hanno suggerito una forza esterna, soprannominata "energia oscura, " provoca questa espansione, ma devono ancora scoprire la sua origine. Una tra le tante teorie è che nel vuoto dello spazio, particelle virtuali di breve durata appaiono costantemente e scompaiono dall'esistenza, e la loro reciproca repulsione crea gli effetti dell'energia oscura. Sebbene sia una spiegazione abbastanza ragionevole su alcuni livelli, i fisici calcolano che queste particelle creerebbero così tanta forza repulsiva da far saltare immediatamente l'universo. Quindi, come possono conciliare le osservazioni con l'idea della particella virtuale?

"Una possibilità è che il tessuto di base dello spaziotempo risponda solo a particelle virtuali distanti più di pochi micrometri, "Taylor ha detto, "ed è proprio il tipo di separazione che potremmo esplorare con questo anello di atomi freddi. Quindi, se si scopre che si può ignorare l'effetto delle particelle che operano su queste scale di breve durata, puoi spiegare molta di questa energia repulsiva inosservata. sarebbe lì, semplicemente non influenzerebbe nulla su scala cosmica."

La ricerca appare sulla rivista Lettere di revisione fisica .