Una mela matura che cade da un albero ha ispirato Sir Isaac Newton a formulare una teoria che descrive il movimento di oggetti soggetti a una forza. Le equazioni del moto di Newton ci dicono che un corpo in movimento continua a muoversi in linea retta a meno che una forza di disturbo non possa cambiare il suo percorso. L'impatto delle leggi di Newton è onnipresente nella nostra esperienza quotidiana, che vanno da un paracadutista che cade nel campo gravitazionale terrestre, sopra l'inerzia che si sente in un aereo in accelerazione, alla terra che orbita intorno al sole.

Nel mondo quantistico, però, la nostra intuizione per il movimento degli oggetti è fortemente messa in discussione e talvolta può anche fallire completamente. Che ne dici di immaginare una biglia che cade nell'acqua oscillando su e giù invece di muoversi direttamente verso il basso? Sembra strano. Ancora, questo è ciò che il fisico sperimentale di Innsbruck in collaborazione con i teorici di Monaco, Parigi e Cambridge hanno scoperto per una particella quantistica. Al centro di questo comportamento sorprendente c'è ciò che i fisici chiamano "interferenza quantistica", il fatto che la meccanica quantistica consente alle particelle di comportarsi come onde, che possono sommarsi o annullarsi a vicenda.

Avvicinamento alla temperatura dello zero assoluto

Per osservare la particella quantistica che oscilla avanti e indietro, il team ha dovuto raffreddare un gas di atomi di cesio appena al di sopra della temperatura dello zero assoluto e confinarlo in una disposizione di tubi molto sottili realizzati da raggi laser ad alta potenza. Per mezzo di un trucco speciale, gli atomi sono stati fatti interagire fortemente tra loro. In tali condizioni estreme gli atomi formano un fluido quantistico il cui movimento è limitato alla direzione dei tubi. I fisici poi accelerarono un atomo di impurità, che è un atomo in un diverso stato di spin, attraverso il gas. Mentre questa particella quantistica si muoveva, è stato osservato disperdere le particelle di gas e riflettere all'indietro. Ciò ha portato ad un movimento oscillatorio, in contrasto con ciò che farebbe una biglia cadendo in acqua. L'esperimento dimostra che le leggi di Newton non possono essere utilizzate nel regno quantistico.

I fluidi quantistici a volte agiscono come cristalli

Il fatto che un'onda quantistica possa essere riflessa in determinate direzioni è noto fin dai primi giorni dello sviluppo della teoria della meccanica quantistica. Per esempio, gli elettroni si riflettono nello schema regolare dei cristalli solidi, come un pezzo di metallo. Questo effetto è chiamato 'scattering di Bragg'. Però, la sorpresa nell'esperimento eseguito a Innsbruck è stata che non era presente un tale cristallo affinché l'impurità potesse riflettersi. Anziché, era lo stesso gas degli atomi a fornire una sorta di ordine nascosto nella sua disposizione, una proprietà che i fisici chiamano "correlazioni". Il lavoro di Innsbruck ha dimostrato come queste correlazioni in combinazione con la natura ondulatoria della materia determinano il movimento delle particelle nel mondo quantistico e portano a fenomeni nuovi ed eccitanti che contrastano le esperienze della nostra vita quotidiana.

Comprendere la stranezza della meccanica quantistica può anche essere rilevante in un ambito più ampio, e aiutano a comprendere e ottimizzare i processi fondamentali nei componenti elettronici, o anche processi di trasporto in sistemi biologici complessi.

Lo studio è pubblicato sulla rivista Scienza .