I fisici hanno dimostrato un nuovo modo per ottenere i dettagli essenziali che descrivono un sistema quantistico isolato, come un gas di atomi, attraverso l'osservazione diretta. Il nuovo metodo fornisce informazioni sulla probabilità di trovare atomi in posizioni specifiche nel sistema con una risoluzione spaziale senza precedenti. Con questa tecnica, gli scienziati possono ottenere dettagli su una scala di decine di nanometri, più piccoli della larghezza di un virus.

Esperimenti eseguiti presso il Joint Quantum Institute (JQI), una partnership di ricerca tra il National Institute of Standards and Technology (NIST) e l'Università del Maryland, utilizzare un reticolo ottico, una rete di luce laser che sospende migliaia di singoli atomi, per determinare la probabilità che un atomo possa trovarsi in una determinata posizione. Poiché ogni singolo atomo nel reticolo si comporta come tutti gli altri, una misurazione sull'intero gruppo di atomi rivela la probabilità che un singolo atomo si trovi in ​​un punto particolare dello spazio.

Pubblicato sulla rivista Revisione fisica X , la tecnica JQI (e una tecnica simile pubblicata contemporaneamente da un gruppo dell'Università di Chicago) può fornire la probabilità che la posizione degli atomi sia ben al di sotto della lunghezza d'onda della luce utilizzata per illuminare gli atomi, 50 volte meglio del limite di quanto la microscopia ottica può normalmente risolvere.

"È una dimostrazione della nostra capacità di osservare la meccanica quantistica, " ha detto Trey Porto di JQI, uno dei fisici dietro lo sforzo di ricerca. "Non è stato fatto con gli atomi nemmeno lontanamente vicino a questa precisione".

Per comprendere un sistema quantistico, i fisici parlano spesso della sua "funzione d'onda". Non è solo un dettaglio importante; è tutta la storia. Contiene tutte le informazioni necessarie per descrivere il sistema.

"È la descrizione del sistema, " ha detto il fisico del JQI Steve Rolston, un altro degli autori dell'articolo. "Se si dispone delle informazioni sulla funzione d'onda, puoi calcolare tutto il resto, come il magnetismo dell'oggetto, la sua conduttività e la sua probabilità di emettere o assorbire luce."

Mentre la funzione d'onda è un'espressione matematica e non un oggetto fisico, il metodo del team può rivelare il comportamento descritto dalla funzione d'onda:le probabilità che un sistema quantistico si comporti in un modo rispetto a un altro. Nel mondo della meccanica quantistica, la probabilità è tutto.

Tra i molti strani principi della meccanica quantistica c'è l'idea che prima di misurare le loro posizioni, gli oggetti potrebbero non avere una posizione individuabile. Gli elettroni che circondano il nucleo di un atomo, Per esempio, non viaggiare in orbite regolari simili a pianeti, contrariamente all'immagine ad alcuni di noi è stato insegnato a scuola. Anziché, si comportano come onde increspate, per cui non si può dire che un elettrone stesso abbia una posizione definita. Piuttosto, gli elettroni risiedono all'interno di regioni sfocate dello spazio.

Tutti gli oggetti possono avere questo comportamento ondulatorio, ma per qualcosa di abbastanza grande da essere visto da occhi non aiutati, l'effetto è impercettibile e vigono le regole della fisica classica:non notiamo edifici, secchi o pangrattato che si diffondono come onde. Ma isola un oggetto minuscolo come un atomo, e la situazione è diversa perché l'atomo esiste in un regno delle dimensioni in cui gli effetti della meccanica quantistica regnano sovrani. Non è possibile dire con certezza dove si trova, solo che sarà trovato da qualche parte. La funzione d'onda fornisce l'insieme delle probabilità che l'atomo si trovi in ​​un dato luogo.

La meccanica quantistica è sufficientemente compresa dai fisici, comunque, che per un sistema abbastanza semplice, gli esperti possono calcolare la funzione d'onda dai primi principi senza bisogno di osservarla. Molti sistemi interessanti sono complicati, anche se.

"Ci sono sistemi quantistici che non possono essere calcolati perché sono troppo difficili, " ha detto Rolston, come le molecole fatte di diversi grandi atomi. "Questo approccio potrebbe aiutarci a capire quelle situazioni".

Poiché la funzione d'onda descrive solo un insieme di probabilità, come possono i fisici ottenere un quadro completo dei suoi effetti in breve tempo? L'approccio del team prevede la misurazione simultanea di un gran numero di sistemi quantistici identici e la combinazione dei risultati in un'unica immagine complessiva. È un po' come tirare 100, 000 paia di dadi contemporaneamente:ogni lancio dà un singolo risultato, e contribuisce con un singolo punto sulla curva di probabilità che mostra i valori di tutti i dadi.

Ciò che il team ha osservato sono state le posizioni dei circa 100, 000 atomi di itterbio che il reticolo ottico sospende nei suoi laser. Gli atomi di itterbio sono isolati dai loro vicini e limitati a muoversi avanti e indietro lungo un segmento di linea unidimensionale. Per ottenere un'immagine ad alta risoluzione, il team ha trovato un modo per osservare sezioni strette di questi segmenti di linea, e quante volte ogni atomo si è presentato nella sua rispettiva fetta. Dopo aver osservato una regione, la squadra ne ha misurato un altro, fino a quando non ha avuto l'intera immagine.

Rolston ha detto che mentre non ha ancora pensato a una "killer app" che tragga vantaggio dalla tecnica, il solo fatto che il team abbia immaginato direttamente qualcosa di centrale per la ricerca quantistica lo affascina.

"Non è del tutto ovvio dove verrà utilizzato, ma è una nuova tecnica che offre nuove opportunità, " ha detto. "Abbiamo usato un reticolo ottico per catturare gli atomi per anni, e ora è diventato un nuovo tipo di strumento di misurazione."