Un problema nell'affrontare le armi di distruzione di massa è che sono ben nascoste. La chiave per trovarli potrebbe essere quella di cambiare i metodi che usiamo per cercare. Uno di questi metodi sta prendendo forma in un laboratorio nel seminterrato di Small Hall at William &Mary.

"Fondamentalmente, lo stiamo facendo in modo che tu possa vedere ciò che non puoi vedere, " disse Seth Aubin, professore associato di fisica alla William &Mary.

Aubin ha recentemente ricevuto una sovvenzione dalla Defense Threat Reduction Agency del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per sviluppare un nuovo tipo di strumento in grado di rilevare infrastrutture nascoste per armi di distruzione di massa.

"L'agenzia è particolarmente interessata a trovare fabbriche sotterranee o silos missilistici, Cose così, "Aubin ha detto "ma potresti anche usarlo per avvistare sottomarini o persino per trovare tunnel e grotte di contrabbando."

Per vedere l'invisibile, Aubin dice, dobbiamo prima riconsiderare cosa significa guardare. L'occhio umano è progettato per elaborare la luce o, quando parli di fisica delle particelle, fotoni. Quando ci riferiamo a qualcosa come "visibile, "Aubin spiega, in genere significa che i fotoni che rimbalzano su quella cosa si muovono a una lunghezza d'onda che i nostri occhi possono elaborare e quindi vedere.

Ma cosa accadrebbe se cambiassimo la nostra interpretazione di "vedere" per spiegare qualcosa di diverso dalla luce? Aubin mira a fare proprio questo:trovare ciò che è invisibile in termini di luce, ma visibile in termini di massa.

Aubin e la sua squadra (Bennett Atwater '20, Hantao "Tony" Yu '22, dottorato di ricerca candidati Andrew Rotunno e Shuangli Du, e lo scienziato dello staff Doug Beringer) stanno sviluppando un dispositivo che utilizza atomi ultrafreddi per individuare le distorsioni nel campo gravitazionale terrestre e "vedere" usando la materia invece della luce.

"I fotoni non sono così sensibili alla gravità, " Aubin ha detto. "Le cose che sono sensibili alla gravità sono cose che hanno massa. Più è pesante, più è sensibile e gli atomi sono molto più pesanti dei fotoni."

L'idea è di imitare il processo di interferometria ottica, un modo preciso di effettuare misurazioni monitorando l'interferenza costruttiva e distruttiva prodotta dalle lunghezze d'onda della luce. Ecco come un team globale di scienziati, tra cui molti di William &Mary, sono stati in grado di rilevare le onde gravitazionali per la prima volta, un traguardo degno del premio Nobel.

"Fondamentalmente, prendi un raggio di luce e lo fai percorrere due strade, " Aubin ha detto. "Un percorso sarà più vicino a qualcosa e il suo percorso verrà distorto dalla gravità. Quando i raggi si ricombinano, leggi la differenza di fase e può dirti molto su cosa c'è là fuori. Stiamo facendo la stessa cosa, tranne che con atomi invece di fotoni."

Ha perfettamente senso se lasciamo il nostro confortevole mondo della fisica newtoniana ed entriamo nel regno della meccanica quantistica, dove massa ed energia sono intercambiabili, e tutta la materia si comporta come un'onda a livello atomico.

"L'idea è di usare questo metodo per misurare il campo gravitazionale terrestre con una precisione folle, diciamo una parte per miliardo, " Aubin ha detto. "Ciò significa che stai misurando un numero che è lungo nove cifre. Tutte le informazioni sono in quell'ultima cifra. L'ultima cifra ti dice la variazione nel campo gravitazionale. Ciò che lo fa variare è la massa, massa che manca, come un tunnel o una grotta, o massa che è in più, come il petrolio, il ferro o il minerale di uranio".

Si scopre che se vuoi essere follemente preciso, devi prima prendere un freddo folle. Il laboratorio utilizza atomi raffreddati a circa un microkelvin di temperatura, vicino allo zero assoluto, la temperatura più bassa teoricamente possibile. Infatti, i ricercatori usano l'oggetto più freddo dell'universo, il condensato di Bose-Einstein, per calibrare i propri strumenti.

"Uno dei motivi per cui siamo così freddi è perché non devi cercare la meccanica quantistica, viene a cercarti, " disse Aubin. "La materia comincia a comportarsi come un'onda, che ti piaccia o no."

Proprio adesso, il team sta lavorando con atomi di rubidio e potassio super-freddi, che vengono raffreddati utilizzando una serie di laser accuratamente posizionati. Quasi la metà dello spazio del laboratorio è dedicata a un tavolo di lenti, specchi e altre ottiche. Sono tutti orientati per creare il raggio laser perfetto, che viene trasportato in un'area di zapping atomico tramite cavo in fibra ottica.

"Quando guardi questo per la prima volta, sembra un pasticcio gigantesco, "Aubin ha detto in piedi accanto al tavolo ottico. "Non è disordinato, è molto ben organizzato. Per una grande frazione degli elementi qui, se li sposti da 10 a 100 micron, niente funzionerà".

Aubin confronta i fotoni della luce laser con le palle di neve. Una palla di neve è internamente fredda, ma quando viene lanciato verso di te e sbatte contro la tua pelle, si sente caldo. Questo perché la palla di neve aveva molta energia cinetica. Anche i fotoni nei raggi laser hanno molta energia, e, come una palla di neve, sono internamente freddi.

"I fotoni laser sono molto energetici, quindi se non sei intelligente su come interagisci la luce laser con il materiale, farà caldo, "Aubin ha detto "ma se sei intelligente su come interagisci, trasferirai effettivamente la freddezza dei fotoni a qualcos'altro, in questo caso, i nostri atomi".

Una volta che gli atomi si sono raffreddati, sono tenuti in una trappola prima di essere trasferiti su un microchip da un pollice quadrato, che supporta un campo magnetico a microonde. Il campo lavorerà per inviare gli atomi lungo due percorsi separati prima di riunirli di nuovo, dopodiché i ricercatori misureranno le lunghezze d'onda atomiche per l'interferenza costruttiva o distruttiva.

"Il chip è dove avviene tutta la fisica, "Aubin ha detto "ma per far accadere la fisica, hai bisogno di un'intera stanza di attrezzature."

Finora, il team ha cambiato con successo la direzione di rotazione di due atomi, ma devono ancora inviare gli atomi lungo due percorsi separati. La causa potrebbe essere in parte una curva di apprendimento più ampia del previsto.

"Si scopre che le microonde sono una specie di arte oscura dell'ingegneria elettrica, " ha detto Aubin. "E 'abbastanza difficile che non è nemmeno insegnato ai fisici, quindi stiamo insegnando a noi stessi l'ingegneria delle microonde mentre procediamo."

Un team di studenti universitari sta progettando i circuiti a microonde per alimentare il chip. Hanno dovuto fare la maggior parte della fabbricazione internamente, Aubin ha detto, indicando pile di dispositivi elettronici sparsi per il laboratorio.

"Costruiamo la maggior parte delle cose di cui abbiamo bisogno, " Aubin ha detto. "In genere non puoi comprarlo, perché questa roba semplicemente non esiste. Se stai facendo qualcosa per la prima volta, devi inventare i tuoi strumenti."