Per un non fisico, un "collimatore di raggio atomico" può suonare come un phaser che spara particelle mistiche. Questa potrebbe non essere la peggior metafora per introdurre una tecnologia che i ricercatori hanno ora miniaturizzato, rendendo più probabile che un giorno arrivi ai dispositivi portatili.

Oggi, i collimatori per fasci atomici si trovano principalmente nei laboratori di fisica, dove sparano atomi in un raggio che produce fenomeni quantistici esotici e che ha proprietà che possono essere utili nelle tecnologie di precisione. Riducendo i collimatori dalle dimensioni di un piccolo apparecchio per adattarli a un dito, i ricercatori del Georgia Institute of Technology vogliono mettere la tecnologia a disposizione degli ingegneri che promuovono dispositivi come orologi atomici o accelerometri, un componente che si trova negli smartphone.

"Un tipico dispositivo che potresti ricavare da questo è un giroscopio di nuova generazione per un sistema di navigazione di precisione che è indipendente dal GPS e può essere utilizzato quando sei fuori dalla portata del satellite in una regione remota o viaggi nello spazio, " ha detto Chandra Raman, professore associato presso la School of Physics della Georgia Tech e co-investigatore principale dello studio.

La ricerca è stata finanziata dall'Office of Navy Research. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 23 aprile 2019.

Ecco cos'è un collimatore, parte del potenziale quantistico nei fasci atomici, e come il formato del collimatore in miniatura potrebbe aiutare i fasci atomici a modellare le nuove generazioni di tecnologia.

Fucile atomico tascabile

"I fasci atomici collimati esistono da decenni, "Raman ha detto, "Ma attualmente, i collimatori devono essere grandi per essere precisi."

Il raggio atomico inizia in una scatola piena di atomi, spesso rubidio, riscaldato a vapore in modo che gli atomi ronzano caoticamente. Un tubo entra nella scatola, e atomi casuali con la giusta traiettoria sparano nel tubo come palline che entrano nella canna di un fucile.

Come pallini che lasciano un fucile da caccia, gli atomi escono dall'estremità del tubo sparando ragionevolmente dritti ma anche con uno spruzzo casuale di proiettili atomici che volano ad angoli obliqui. In un raggio atomico, che lo spray produce rumore di segnale, e il migliorato collimatore-on-a-chip ne elimina la maggior parte per una più precisa, fascio di atomi quasi perfettamente parallelo.

Il raggio è molto più focalizzato e puro rispetto ai raggi provenienti da collimatori esistenti. I ricercatori vorrebbero anche che il loro collimatore consentisse ai fisici sperimentali di creare stati quantistici complessi in modo più conveniente.

Macchina ad inerzia costante

Ma più immediatamente, il collimatore imposta la meccanica newtoniana che potrebbe essere adattata per l'uso pratico.

I raggi migliorati sono flussi di inerzia costante perché, a differenza di un raggio laser, che è fatto di fotoni senza massa, gli atomi hanno massa e quindi quantità di moto e inerzia. Ciò rende i loro fasci punti di riferimento potenzialmente ideali nei giroscopi a fascio che aiutano a tracciare il movimento e i cambiamenti di posizione.

Gli attuali giroscopi nei dispositivi di navigazione senza GPS sono precisi nel breve periodo ma non nel lungo periodo, il che significa ricalibrarli o sostituirli ogni tanto, e questo li rende meno convenienti, dire, sulla luna o su Marte.

"Gli strumenti convenzionali su scala di chip basati sulla tecnologia MEMS (sistemi microelettromeccanici) soffrono di deriva nel tempo a causa di varie sollecitazioni, " ha detto il co-investigatore principale Farrokh Ayazi, che è Ken Byers Professor presso la School of Electrical and Computer Engineering della Georgia Tech. "Per eliminare quella deriva, hai bisogno di un meccanismo assolutamente stabile. Questo raggio atomico crea quel tipo di riferimento su un chip".

Fascio di entanglement quantistico

Gli atomi eccitati al calore in un fascio possono anche essere convertiti in atomi di Rydberg, che forniscono una cornucopia di proprietà quantistiche.

Quando un atomo è abbastanza energizzato, il suo elettrone orbitante più esterno si spinge così lontano che l'atomo si gonfia di dimensioni. Orbitando così lontano con così tanta energia, quell'elettrone più esterno si comporta come l'elettrone solitario di un atomo di idrogeno, e l'atomo di Rydberg si comporta come se avesse un solo protone.

"Puoi progettare certi tipi di entanglement quantistico multi-atomo usando gli stati di Rydberg perché gli atomi interagiscono tra loro in modo molto più forte di due atomi nello stato fondamentale, " ha detto Raman.

"Gli atomi di Rydberg potrebbero anche far progredire le future tecnologie dei sensori perché sono sensibili ai flussi in vigore o in campi elettronici più piccoli di un elettrone in scala, "Ayazi ha detto. "Potrebbero anche essere utilizzati nell'elaborazione delle informazioni quantistiche".

Scanalature in silicone litografato

I ricercatori hanno ideato un modo sorprendentemente conveniente per realizzare il nuovo collimatore, che potrebbe incoraggiare i produttori ad adottarlo:tagliano lungo, canali estremamente stretti attraverso un wafer di silicio che corre parallelo alla sua superficie piana. I canali erano come canne di fucile allineate fianco a fianco per sparare una serie di raggi atomici.

Il silicio è un materiale eccezionalmente fluido attraverso il quale gli atomi possono volare ed è anche utilizzato in molte tecnologie microelettroniche e informatiche esistenti. Ciò apre la possibilità di combinare queste tecnologie su un chip con il nuovo collimatore in miniatura. Litografia, che viene utilizzato per incidere la tecnologia dei chip esistente, è stato utilizzato per tagliare con precisione i canali del collimatore.

La più grande innovazione dei ricercatori ha ridotto notevolmente lo spray simile a un fucile, cioè il rumore del segnale. Fecero due fessure nei canali, formando una cascata allineata di tre serie di schiere parallele di barili.

Gli atomi che volano ad angoli sbilanciati saltano fuori dai canali in corrispondenza degli spazi vuoti e quelli che volano ragionevolmente paralleli nella prima serie di canali continuano a quella successiva, quindi il processo si ripete andando dal secondo al terzo array di canali. Ciò conferisce ai fasci atomici del nuovo collimatore la loro eccezionale rettilineità.