La meccanica quantistica impone limiti di sensibilità nelle misurazioni di spostamento, velocità e accelerazione. Un recente esperimento al Niels Bohr Institute sonda questi limiti, analizzando come le fluttuazioni quantistiche mettono in movimento una membrana del sensore nel processo di misurazione. La membrana è un modello accurato per i futuri sensori quantistici ultraprecisi, la cui natura complessa può anche contenere la chiave per superare i limiti quantistici fondamentali. I risultati sono pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Le corde e le membrane vibranti sono il cuore di molti strumenti musicali. Pizzicare una corda la eccita alle vibrazioni, ad una frequenza determinata dalla sua lunghezza e tensione. Oltre alla frequenza fondamentale - corrispondente alla nota musicale - la corda vibra anche a frequenze più alte. Questi armonici influenzano il modo in cui percepiamo il "suono" dello strumento, e permettici di distinguere una chitarra da un violino. Allo stesso modo, battere una pelle di tamburo eccita le vibrazioni a un numero di frequenze contemporaneamente.

Queste questioni non sono diverse quando si ridimensionano, dalla grancassa di mezzo metro in un'orchestra classica alla membrana di mezzo millimetro studiata di recente al Niels Bohr Institute. E ancora, alcune cose non sono affatto le stesse:utilizzando sofisticate tecniche di misurazione ottica, un team guidato dal professor Albert Schliesser potrebbe dimostrare che le vibrazioni della membrana, comprese tutte le sue sfumature, seguire le strane leggi della meccanica quantistica. Nel loro esperimento, queste leggi quantistiche implicavano che il semplice tentativo di misurare con precisione le vibrazioni della membrana la mettesse in moto. Come se guardare un tamburo lo facesse già ronzare!

Un 'tamburo' con molti toni

Sebbene la membrana studiata dal team del Niels Bohr Institute possa essere vista a occhio nudo, i ricercatori hanno utilizzato un laser per tracciare con precisione il movimento della membrana. E questo infatti rivela una serie di risonanze vibratorie, che vengono tutti misurati contemporaneamente. Le loro frequenze sono nella gamma dei Megahertz, circa mille volte più alte delle onde sonore che sentiamo, essenzialmente perché la membrana è molto più piccola di uno strumento musicale. Ma le analogie continuano:proprio come un violino suona in modo diverso a seconda di dove viene battuta la corda (sul tasto vs sul ponticello), i ricercatori potevano dire dallo spettro di sfumature in cui la loro membrana era eccitata dal raggio laser.

Ancora, osservando i sottili effetti quantistici a cui i ricercatori erano più interessati, richiesto qualche accorgimento in più. Albert Schliesser spiega:"Per una volta, c'è il problema della perdita di energia vibrazionale, portando a ciò che chiamiamo decoerenza quantistica. Pensala così:in un violino, fornisci un corpo di risonanza, che capta le vibrazioni delle corde e le trasforma in onde sonore trasportate dall'aria. Questo è quello che senti. Dovevamo ottenere esattamente il contrario:limitare le vibrazioni alla sola membrana, in modo da poter seguire il suo moto quantistico indisturbato il più a lungo possibile. Per questo abbiamo dovuto sviluppare un 'corpo' speciale che non può vibrare alle frequenze della membrana".

Ciò è stato ottenuto da un cosiddetto cristallo fononico, uno schema regolare di fori che mostra un bandgap fononico, questo è, una banda di frequenze alla quale la struttura non può vibrare. Yeghishe Tsaturyan, uno studente di dottorato nel team, realizzato una membrana con un corpo così speciale presso gli impianti di nanofabbricazione Danchip a Lyngby.

Una seconda sfida consiste nel fare misurazioni sufficientemente precise. Utilizzando tecniche dal campo dell'Optomeccanica, che è l'esperienza di Schliesser, il team ha creato un esperimento dedicato presso l'Istituto Niels Bohr, sulla base di un laser costruito su misura per le loro esigenze, ed una coppia di specchi altamente riflettenti tra i quali è disposta la membrana. Ciò ha permesso loro di risolvere vibrazioni con ampiezze molto più piccole del raggio di un protone (1 femtometro).

"Effettuare misurazioni così sensibili non è facile, in particolare poiché le pompe e altre apparecchiature di laboratorio vibrano con ampiezze molto maggiori. Quindi dobbiamo assicurarci che questo non venga visualizzato nel nostro record di misurazione, " aggiunge il dottorando William Nielsen.

Il vuoto batte il tamburo

Eppure è proprio la gamma di misurazioni ultraprecise che diventa interessante. Quindi, inizia a importare che, secondo la meccanica quantistica, anche il processo di misurazione del movimento lo influenza. Nell'esperimento, questa "retroazione della misurazione quantistica" è causata dalle inevitabili fluttuazioni quantistiche della luce laser. Nell'ambito dell'ottica quantistica, questi sono causati dalle fluttuazioni quantistiche del campo elettromagnetico nello spazio vuoto (vuoto). Per quanto strano possa sembrare, questo effetto ha lasciato chiare firme nei dati degli esperimenti del Niels Bohr Institute, vale a dire forti correlazioni tra le fluttuazioni quantistiche della luce, e il movimento meccanico misurato dalla luce.

"Osservare e quantificare queste fluttuazioni quantistiche è importante per capire meglio come possono influenzare le misurazioni meccaniche di ultraprecisione, ovvero, misure di spostamento, velocità o accelerazione. E qui, entra in gioco la natura multimodale della membrana:non solo è una rappresentazione più accurata dei sensori del mondo reale. Può anche contenere la chiave per superare alcuni dei limiti quantistici tradizionali alla precisione della misurazione con schemi più sofisticati, sfruttando le correlazioni quantistiche", Albert Schliesser dice e aggiunge, che a lungo andare, esperimenti quantistici con oggetti meccanici sempre più complessi possono anche fornire una risposta alla domanda perché non osserviamo mai una grancassa in una sovrapposizione quantistica (o lo faremo?).