Si potrebbe pensare che la pinzetta ottica, un raggio laser focalizzato in grado di intrappolare piccole particelle, sia ormai un vecchio cappello. Dopotutto, la pinzetta è stata inventata da Arthur Ashkin nel 1970. E quest'anno ha ricevuto il premio Nobel per questo, presumibilmente dopo che le sue principali implicazioni erano state realizzate durante l'ultimo mezzo secolo.

Sorprendentemente, questo è tutt'altro che vero. La pinzetta ottica sta rivelando nuove capacità mentre aiuta gli scienziati a comprendere la meccanica quantistica, la teoria che spiega la natura in termini di particelle subatomiche.

Questa teoria ha portato ad alcune conclusioni strane e controintuitive. Uno di questi è che la meccanica quantistica consente a un singolo oggetto di esistere contemporaneamente in due diversi stati di realtà. Per esempio, la fisica quantistica consente a un corpo di trovarsi contemporaneamente in due luoghi diversi nello spazio, o entrambi vivi e morti, come nel famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger.

Il nome tecnico di questo fenomeno è sovrapposizione. Sono state osservate sovrapposizioni per oggetti minuscoli come singoli atomi. Ma chiaramente, non vediamo mai una sovrapposizione nella nostra vita quotidiana. Per esempio, non vediamo una tazza di caffè in due luoghi contemporaneamente.

Per spiegare questa osservazione, i fisici teorici hanno suggerito che per oggetti di grandi dimensioni - anche per nanoparticelle contenenti circa un miliardo di atomi - le sovrapposizioni collassano rapidamente all'una o all'altra delle due possibilità, a causa di una rottura della meccanica quantistica standard. Per oggetti più grandi il tasso di collasso è più veloce. Per il gatto di Schrodinger, questo crollo – a “vivo” o “morto” – sarebbe praticamente istantaneo, spiegando perché non vediamo mai la sovrapposizione di un gatto che si trova in due stati contemporaneamente.

Fino a poco tempo fa, queste "teorie del collasso, " che richiederebbe modifiche alla meccanica quantistica da manuale, non poteva essere testato, poiché è difficile preparare un oggetto di grandi dimensioni in una sovrapposizione. Questo perché gli oggetti più grandi interagiscono di più con l'ambiente circostante rispetto agli atomi o alle particelle subatomiche, il che porta a perdite di calore che distruggono gli stati quantistici.

Come fisici, siamo interessati alle teorie del collasso perché vorremmo capire meglio la fisica quantistica, e proprio perché ci sono indicazioni teoriche che il crollo possa essere dovuto ad effetti gravitazionali. Sarebbe interessante trovare una connessione tra la fisica quantistica e la gravità, poiché tutta la fisica si basa su queste due teorie, e la loro descrizione unificata – la cosiddetta Teoria del Tutto – è uno dei grandi obiettivi della scienza moderna.

Inserisci la pinzetta ottica

Le pinzette ottiche sfruttano il fatto che la luce può esercitare una pressione sulla materia. Sebbene la pressione di radiazione anche da un raggio laser intenso sia piuttosto piccola, Ashkin è stata la prima persona a dimostrare che era abbastanza grande da supportare una nanoparticella, contrastare la gravità, facendolo levitare efficacemente.

Nel 2010 un gruppo di ricercatori si è reso conto che una tale nanoparticella trattenuta da una pinzetta ottica era ben isolata dal suo ambiente, poiché non era in contatto con alcun supporto materiale. Seguendo queste idee, diversi gruppi hanno suggerito modi per creare e osservare le sovrapposizioni di una nanoparticella in due posizioni spaziali distinte.

Uno schema intrigante proposto dai gruppi di Tongcang Li e Lu Ming Duan nel 2013 coinvolgeva un cristallo di nanodiamante in una pinzetta. La nanoparticella non rimane ferma all'interno della pinzetta. Piuttosto, oscilla come un pendolo tra due luoghi, con la forza di richiamo proveniente dalla pressione di radiazione dovuta al laser. Ulteriore, questo nanocristallo di diamante contiene un atomo di azoto contaminante, che può essere pensato come un minuscolo magnete, con un polo nord (N) e un polo sud (S).

La strategia Li-Duan consisteva in tre fasi. Primo, hanno proposto di raffreddare il movimento della nanoparticella al suo stato fondamentale quantistico. Questo è lo stato energetico più basso che questo tipo di particella può avere. Potremmo aspettarci che in questo stato la particella smetta di muoversi e non oscilli affatto. Però, se è successo, sapremmo dov'era la particella (al centro della pinzetta), così come la velocità con cui si muoveva (per niente). Ma la conoscenza perfetta simultanea sia della posizione che della velocità non è consentita dal famoso principio di indeterminazione di Heisenberg della fisica quantistica. Così, anche nel suo stato energetico più basso, la particella si muove un po', quanto basta per soddisfare le leggi della meccanica quantistica.

Secondo, lo schema Li e Duan richiedeva che l'atomo di azoto magnetico fosse preparato in una sovrapposizione del suo polo nord rivolto verso l'alto e verso il basso.

Finalmente, era necessario un campo magnetico per collegare l'atomo di azoto al movimento del cristallo di diamante levitato. Ciò trasferirebbe la sovrapposizione magnetica dell'atomo alla sovrapposizione di posizione del nanocristallo. Questo trasferimento è reso possibile dal fatto che l'atomo e la nanoparticella sono entangled dal campo magnetico. Avviene nello stesso modo in cui la sovrapposizione del campione radioattivo decaduto e non decaduto viene convertita nella sovrapposizione del gatto di Schrodinger negli stati vivi e morti.

Dimostrare la teoria del collasso

Ciò che ha dato i denti a questo lavoro teorico sono stati due interessanti sviluppi sperimentali. Già nel 2012 i gruppi di Lukas Novotny e Romain Quidant hanno dimostrato che era possibile raffreddare una nanoparticella otticamente levitata fino a un centesimo di grado sopra lo zero assoluto – la temperatura più bassa teoricamente possibile – modulando l'intensità della pinzetta ottica. L'effetto era lo stesso di quello di rallentare un bambino su un'altalena spingendolo al momento giusto.

Nel 2016 gli stessi ricercatori sono riusciti a raffreddare fino a un decimillesimo di grado sopra lo zero assoluto. In questo periodo i nostri gruppi hanno pubblicato un documento che stabiliva che la temperatura richiesta per raggiungere lo stato fondamentale quantistico di una nanoparticella pizzicata era di circa un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto. Questo requisito è impegnativo, ma alla portata di esperimenti in corso.

Il secondo sviluppo entusiasmante è stata la levitazione sperimentale di un nanodiamante che trasportava difetti di azoto nel 2014 nel gruppo di Nick Vamivakas. Utilizzando un campo magnetico, sono stati anche in grado di ottenere l'accoppiamento fisico dell'atomo di azoto e il movimento del cristallo richiesto dal terzo passaggio dello schema Li-Duan.

La corsa è ora in corso per raggiungere lo stato fondamentale in modo che, secondo il piano Li-Duan, si possa osservare un oggetto in due posizioni che collassa in un'unica entità. Se le sovrapposizioni vengono distrutte alla velocità prevista dalle teorie del collasso, la meccanica quantistica come la conosciamo dovrà essere rivista.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.