L'interferometria atomica è la tecnica conosciuta più sensibile per misurare le forze gravitazionali e le forze inerziali come l'accelerazione e la rotazione. È un pilastro della ricerca scientifica e viene commercializzato come mezzo di localizzazione in ambienti in cui il GPS non è disponibile. È anche estremamente sensibile ai campi elettrici ed è stato utilizzato per effettuare misurazioni minime delle proprietà elettriche fondamentali degli elementi.

Gli interferometri atomici più sensibili utilizzano stati esotici della materia chiamati condensati di Bose-Einstein. Nell'ultimo numero di Lettere di revisione fisica , I ricercatori del MIT presentano un modo per rendere ancora più precisa l'interferometria atomica con i condensati di Bose-Einstein, eliminando una fonte di errore endemica nei progetti precedenti.

Gli interferometri che utilizzano il nuovo design potrebbero aiutare a risolvere alcune questioni fondamentali in fisica, come la natura degli stati intermedi tra la descrizione quantistica della materia, che prevale su scale molto piccole, e la descrizione newtoniana da cui dipende l'ingegneria quotidiana.

"L'idea qui è che i condensati di Bose-Einstein sono in realtà piuttosto grandi, "dice William Burton, uno studente laureato del MIT in fisica e primo autore della carta. "Sappiamo che le cose molto piccole agiscono quantisticamente, ma poi le cose grandi come te e me non agiscono in modo molto quantistico. Quindi possiamo vedere quanto lontano possiamo allungare un sistema quantistico e farlo agire coerentemente quando lo rimettiamo insieme. È una domanda interessante".

Insieme a Burton sul giornale ci sono i suoi consiglieri, professore di fisica Wolfgang Ketterle, che ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2001 per il suo lavoro pionieristico sui condensati di Bose-Einstein, e altri quattro membri del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, che Ketterle dirige.

Ritagliare i condensati

I condensati di Bose-Einstein sono gruppi di atomi che, quando raffreddato quasi allo zero assoluto, tutti abitano esattamente lo stesso stato quantico. Questo dà loro una serie di proprietà insolite, tra questi estrema sensibilità alle perturbazioni da parte di forze esterne.

Un approccio comune alla costruzione di un interferometro a condensazione di Bose-Einstein prevede la sospensione di una nuvola di atomi, il condensato, in una camera e l'emissione di un raggio laser per produrre un'"onda stazionaria". Se un'onda è pensata come uno scarabocchio con avvallamenti e creste regolari, quindi un'onda stazionaria viene prodotta quando un'onda è esattamente allineata con la sua riflessione. I punti zero - i punti di transizione tra valle e cresta - dell'onda e la sua riflessione sono identici.

L'onda stazionaria divide il condensato in gruppi di atomi approssimativamente uguali, ognuno il suo condensato. Nell'esperimento dei ricercatori del MIT, ad esempio, l'onda stazionaria divide circa 20, 000 atomi di rubidio in 10 gruppi di circa 2, 000, ciascuno sospeso in un "pozzo" tra due punti zero dell'onda stazionaria.

Quando forze esterne agiscono sulla condensa, la trappola laser impedisce loro di muoversi. Ma quando il laser è spento, i condensati si dilatano, e la loro energia riflette le forze a cui sono stati sottoposti. Far brillare una luce attraverso la nuvola di atomi produce uno schema di interferenza da cui quell'energia, e quindi la forza sperimentata dai condensati, può essere calcolato.

Questa tecnica ha prodotto le misurazioni più accurate delle forze gravitazionali e inerziali mai registrate. Ma ha un problema:la divisione della condensa in cluster separati non è perfettamente uniforme. Un pozzo dell'onda stazionaria potrebbe contenere, dire, 1, 950 atomi, e quello accanto 2, 050. Questo squilibrio produce differenze di energia tra i pozzi che introducono errori nella misurazione dell'energia finale, limitandone la precisione.

Atto di bilanciamento

Risolvere questo problema, Burton, Ketterle, ei loro colleghi usano non uno ma due condensati come punto di partenza per il loro interferometro. Oltre a intrappolare i condensati con un laser, li sottopongono anche a un campo magnetico.

Entrambi i condensati sono costituiti da atomi di rubidio, ma hanno diversi "giri, " una proprietà quantistica che descrive il loro allineamento magnetico. L'onda stazionaria segrega entrambi i gruppi di atomi, ma solo uno di loro, gli atomi spin-down, sente il campo magnetico. Ciò significa che gli atomi dell'altro gruppo, gli atomi spin-up, sono liberi di spostarsi da un pozzo all'altro dell'onda stazionaria.

Poiché un relativo eccesso di atomi spin-down in un pozzo gli conferisce un leggero aumento di energia, lancerà alcuni dei suoi atomi spin-up nei pozzi vicini. Gli atomi spin-up si mescolano intorno all'onda stazionaria finché ogni pozzo ha lo stesso numero esatto di atomi. Alla fine del processo, quando vengono lette le energie degli atomi, gli atomi spin-up correggono gli squilibri tra gli atomi spin-down.

I condensati di Bose-Einstein sono interessanti perché mostrano effetti quantistici su scala relativamente ampia, e le descrizioni quantistiche dei sistemi fisici generalmente riflettono la dualità onda-particella, il fatto che, su scale abbastanza piccole, la materia mostrerà comportamenti caratteristici sia delle particelle che delle onde. I condensati negli esperimenti dei ricercatori del MIT possono quindi essere pensati come onde, con le proprie lunghezze d'onda, ampiezze, e fasi.

Per eseguire l'interferometria atomica, i cluster di atomi intrappolati dal laser devono essere tutti in fase, il che significa che gli avvallamenti e le creste delle loro onde sono allineati. I ricercatori hanno dimostrato che il loro metodo di "schermatura" ha mantenuto i condensati in fase molto più a lungo di quanto fosse possibile in precedenza, che dovrebbe migliorare l'accuratezza dell'interferometria atomica.

"Una delle grandi aspettative per i condensati di Bose-Einstein [BEC], che è stato evidenziato nella citazione Nobel, era che avrebbero portato ad applicazioni, "dice Dominik Schneble, professore associato di fisica alla Stony Brook University. "E una di queste applicazioni è l'interferometria atomica".

"Ma le interazioni tra i BEC fondamentalmente danno luogo a sfasamento, che non può essere molto ben controllato, " Schneble dice. "Un approccio è stato quello di disattivare le interazioni. In certi elementi, uno può farlo molto bene. Ma non è una proprietà universale. Quello che stanno facendo in questo giornale è che stanno dicendo, 'Accettiamo il fatto che le interazioni ci siano, ma stiamo usando le interazioni in modo tale che non solo non sia un problema, ma risolva anche altri problemi.' È molto elegante e molto intelligente. Si adatta alla situazione come un guanto naturale".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.