Quando si pizzica una corda di chitarra, vibra come farebbe qualsiasi oggetto vibrante, che sale e scende come un'onda, come prevedono le leggi della fisica classica. Ma secondo le leggi della meccanica quantistica, che descrivono il modo in cui funziona la fisica su scala atomica, le vibrazioni dovrebbero comportarsi non solo come onde, ma anche come particelle. La stessa corda della chitarra, se osservato a livello quantistico, dovrebbero vibrare come singole unità di energia note come fononi.

Ora gli scienziati del MIT e dello Swiss Federal Institute of Technology hanno per la prima volta creato e osservato un singolo fonone in un materiale comune a temperatura ambiente.

Fino ad ora, singoli fononi sono stati osservati solo a temperature ultrafredde e in ambienti accuratamente progettati, materiali microscopici che i ricercatori devono sondare nel vuoto. In contrasto, il team ha creato e osservato singoli fononi in un pezzo di diamante seduto all'aria aperta a temperatura ambiente. I risultati, scrivono i ricercatori in un articolo pubblicato oggi in Revisione fisica X , "avvicinare il comportamento quantistico alla nostra vita quotidiana".

"C'è una dicotomia tra la nostra esperienza quotidiana di ciò che è una vibrazione, un'onda, e ciò che la meccanica quantistica ci dice che deve essere, una particella, "dice Vivishek Sudhir, un postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "Il nostro esperimento, perché è condotto a condizioni molto tangibili, rompe questa tensione tra la nostra esperienza quotidiana e ciò che la fisica ci dice che deve essere il caso".

La tecnica sviluppata dal team può ora essere utilizzata per sondare altri materiali comuni per le vibrazioni quantistiche. Questo può aiutare i ricercatori a caratterizzare i processi atomici nelle celle solari, oltre a identificare il motivo per cui alcuni materiali sono superconduttori a temperature elevate. Dal punto di vista ingegneristico, la tecnica del team può essere utilizzata per identificare materiali comuni che trasportano fononi che possono creare interconnessioni ideali, o linee di trasmissione, tra i computer quantistici del futuro.

"Ciò che significa il nostro lavoro è che ora abbiamo accesso a una gamma molto più ampia di sistemi tra cui scegliere, "dice Sudhir, uno degli autori principali del documento.

I coautori di Sudhir sono Santiago Tarrago Velez, Kilian Seibold, Nils Kipfer, Mitchell Anderson, e Christophe Galland, dell'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia.

"Democratizzare la meccanica quantistica"

fononi, le singole particelle di vibrazione descritte dalla meccanica quantistica, sono anche associati al calore. Ad esempio, quando un cristallo, costituito da reticoli ordinati di atomi interconnessi, è riscaldato ad un'estremità, la meccanica quantistica prevede che il calore viaggi attraverso il cristallo sotto forma di fononi, o vibrazioni individuali dei legami tra le molecole.

I fononi singoli sono stati estremamente difficili da rilevare, principalmente a causa della loro sensibilità al calore. I fononi sono suscettibili a qualsiasi energia termica maggiore della loro. Se i fononi sono intrinsecamente bassi di energia, quindi l'esposizione a energie termiche più elevate potrebbe innescare i fononi di un materiale per eccitarsi in massa, rendere il rilevamento di un singolo fotone un'impresa da ago in un pagliaio.

I primi sforzi per osservare i singoli fononi lo hanno fatto con materiali appositamente progettati per ospitare pochissimi fononi, ad energie relativamente elevate. Questi ricercatori hanno quindi immerso i materiali in frigoriferi vicini allo zero assoluto che Sudhir descrive come "brutalmente, freddo aggressivo, " per garantire che l'energia termica circostante fosse inferiore all'energia dei fononi nel materiale.

"Se è il caso, quindi la vibrazione [fonone] non può prendere in prestito energia dall'ambiente termico per eccitare più di un fonone, "Spiega Sudhir.

I ricercatori hanno quindi sparato un impulso di fotoni (particelle di luce) nel materiale, sperando che un fotone interagisse con un singolo fonone. Quando ciò accade, il fotone, in un processo noto come diffusione Raman, dovrebbe riflettere un'energia diversa impartitagli dal fonone che interagisce. In questo modo, i ricercatori sono stati in grado di rilevare singoli fononi, anche se a temperature ultrafredde, e in materiali accuratamente progettati.

"Quello che abbiamo fatto qui è porre la domanda, come ti sbarazzi di questo complicato ambiente che hai creato attorno a questo oggetto, e portare questo effetto quantico al nostro ambiente, per vederlo in materiali più comuni, " Dice Sudhir. "In un certo senso è come democratizzare la meccanica quantistica".

Uno su un milione

Per il nuovo studio, il team ha considerato il diamante come soggetto di prova. nel diamante, i fononi operano naturalmente alle alte frequenze, di decine di terahertz, così alto che, a temperatura ambiente, l'energia di un singolo fonone è maggiore dell'energia termica circostante.

"Quando questo cristallo di diamante si trova a temperatura ambiente, il moto fononico non esiste nemmeno, perché non c'è energia a temperatura ambiente per eccitare qualsiasi cosa, "dice Sudhir.

All'interno di questo mix vibrazionalmente silenzioso di fononi, i ricercatori miravano ad eccitare solo un singolo fonone. Hanno inviato impulsi laser ad alta frequenza, composto da 100 milioni di fotoni ciascuno, nel diamante, un cristallo composto da atomi di carbonio, nella remota possibilità che uno di essi interagisse e si riflettesse su un fonone. Il team avrebbe quindi misurato la frequenza ridotta del fotone coinvolto nella collisione, confermando che aveva effettivamente colpito un fonone, anche se questa operazione non sarebbe in grado di discernere se uno o più fononi sono stati eccitati nel processo.

Per decifrare il numero di fononi eccitati, i ricercatori hanno inviato un secondo impulso laser nel diamante, come l'energia del fonone decadde gradualmente. Per ogni fonone eccitato dal primo impulso, questo secondo impulso può diseccitarlo, portando via quell'energia sotto forma di una nuova, fotone di maggiore energia. Se un solo fonone fosse inizialmente eccitato, poi uno nuovo, dovrebbe essere creato un fotone a frequenza più alta.

A conferma di ciò, i ricercatori hanno posizionato un vetro semitrasparente attraverso il quale questo nuovo, il fotone a frequenza più alta uscirebbe dal diamante, insieme a due rilevatori su entrambi i lati del vetro. I fotoni non si dividono, quindi se più fononi fossero eccitati e poi diseccitati, i fotoni risultanti dovrebbero passare attraverso il vetro e disperdersi casualmente in entrambi i rivelatori. Se un solo rilevatore "fa clic, " che indica il rilevamento di un singolo fotone, il team può essere sicuro che quel fotone ha interagito con un singolo fonone.

"È un trucco intelligente che giochiamo per assicurarci di osservare un solo fonone, "dice Sudhir.

La probabilità che un fotone interagisca con un fonone è di circa uno su 10 miliardi. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno fatto esplodere il diamante con 80 milioni di impulsi al secondo, quello che Sudhir descrive come un "treno di milioni di miliardi di fotoni" per diverse ore, per rilevare circa 1 milione di interazioni fotone-fonone. Alla fine, hanno trovato, con significatività statistica, che erano in grado di creare e rilevare un singolo quanto di vibrazione.

"Questa è una sorta di affermazione ambiziosa, e dobbiamo stare attenti che la scienza sia fatta rigorosamente, senza spazio per ragionevoli dubbi, "dice Sudhir.

Quando inviavano il loro secondo impulso laser per verificare che i singoli fononi venissero effettivamente creati, i ricercatori hanno ritardato questo impulso, mandando dentro il diamante mentre il fonone eccitato cominciava a rifluire di energia. In questo modo, furono in grado di cogliere il modo in cui il fonone stesso decadde.

"Così, non solo siamo in grado di sondare la nascita di un singolo fonone, ma siamo anche in grado di sondare la sua morte, " dice Sudhir. "Ora possiamo dire, "usa questa tecnica per studiare quanto tempo impiega un singolo fonone a morire nel tuo materiale preferito." Quel numero è molto utile. Se il tempo che ci vuole per morire è molto lungo, allora quel materiale può supportare fononi coerenti. Se è il caso, puoi fare cose interessanti con esso, come il trasporto termico nelle celle solari, e interconnessioni tra computer quantistici."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.