Un rotore su nanoscala (asta nera) è fatto levitare da due raggi laser che si contropropagano. Quando i raggi sono spenti, lo stato quantistico del rotore si disperde in una sovrapposizione di tutti i possibili orientamenti, tranne in determinati intervalli di tempo in cui si verificano revival quantistici e il rotore assume il suo orientamento iniziale. Il rotore può quindi essere ripreso dai laser e il processo ripetuto. Credito:Stickler et al. ©2018 IOP Publishing
I fisici hanno proposto un modo completamente nuovo per testare il principio di sovrapposizione quantistica:l'idea che un oggetto quantistico possa esistere in più stati contemporaneamente. Il nuovo test si basa sull'esame della rotazione quantistica di un oggetto macroscopico, in particolare, un rotore su scala nanometrica, che è considerato macroscopico nonostante le sue piccole dimensioni.
Fino ad ora, la maggior parte dei test di sovrapposizione quantistica sono stati basati su piuttosto che rotazionale, movimento. Esaminando il moto rotatorio, il nuovo test può portare ad applicazioni come il rilevamento della coppia potenziato quantisticamente, e potrebbe fornire informazioni su una serie di domande aperte, come ciò che provoca il collasso della funzione d'onda quantistica.
I fisici, guidato da Klaus Hornberger presso l'Università di Duisburg-Essen, Germania, hanno pubblicato un articolo sul test proposto in un recente numero del Nuovo Giornale di Fisica .
La sovrapposizione quantistica nasce perché, su scala quantistica, le particelle si comportano come onde. Simile al modo in cui più onde possono sovrapporsi l'una all'altra per formare un'unica nuova onda, le particelle quantistiche possono esistere in più stati sovrapposti contemporaneamente. Se la sovrapposizione quantistica si verificasse nella vita di tutti i giorni, potremmo osservare fenomeni come il gatto di Schrödinger, che è morto e vivo allo stesso tempo finché non viene misurato, costringendolo ad assumere un unico stato.
Nel nuovo giornale, i ricercatori propongono di far levitare un rotore su nanoscala usando pinzette ottiche, che sono formati da due raggi laser polarizzati in contropropagazione che fanno sì che il rotore si allinei strettamente con la polarizzazione del campo. Quando i raggi sono spenti, però, si prevede che il rotore strettamente orientato si disperderà rapidamente in una sovrapposizione di tutti i possibili stati di rotazione mentre cade verso il suolo a causa della gravità.
Animazione che mostra come un nanorotore può disperdersi in una sovrapposizione quantistica di stati di rotazione, poi, a causa dell'interferenza quantistica, subire una rinascita, dimostrando che uno stato quantistico è esistito. Credito:James Millen, King's College di Londra
interessante, si prevede che il rotore sperimenterà "revival quantistici" in cui, a intervalli regolari nel tempo, l'interferenza collettiva di tutti gli stati di rotazione porta al riemergere dello stato iniziale che occupava quando era allineato dai raggi laser. L'orientamento può essere potenzialmente misurato illuminando il rotore con un laser a sonda debole, e il laser di intrappolamento potrebbe essere riacceso per catturare il rotore in questo stato prima che raggiunga il suolo.
Finora, revival quantistici orientativi sono stati osservati solo nei gas di molecole biatomiche. Poiché i nanorod sono composti da almeno 10, 000 atomi, sono molto più grandi delle molecole biatomiche, consentendo di testare la meccanica quantistica in un regime inesplorato.
I fisici si aspettano che sarà possibile osservare revival quantistici delle nanobarre utilizzando la tecnologia esistente, ad esempio utilizzando un nanotubo di carbonio come rotore. Se è così, l'osservazione rappresenterebbe un nuovo test macroscopico di sovrapposizione quantistica.
"Osservando i revival quantistici, speriamo di confermare la meccanica quantistica su una scala di massa e complessità senza precedenti, esplorando così il confine quantistico-classico, "Ha detto Hornberger Phys.org .
Nel futuro, coautore James Millen, ora al King's College di Londra, prevede di eseguire l'esperimento proposto per rilevare revival quantistici macroscopici.
"Verificare se la fisica quantistica si rompe con una massa elevata è un'esperienza entusiasmante, eppure scoraggiante, sfida, " ha detto Millen. "Potremmo dover sviluppare tecnologie completamente nuove per isolare le particelle su scala nanometrica, o anche eseguire esperimenti nello spazio. Però, questo esperimento che proponiamo apre una strada completamente nuova per sondare effetti quantistici enigmatici, in un modo che credo fermamente sia fattibile con la tecnologia di oggi. Per di più, saremo in grado di sfruttare questa fisica per sviluppare dispositivi utili di sensibilità senza precedenti."
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