I ricercatori in Austria hanno usato i laser per far levitare e raffreddare una nanoparticella di vetro nel regime quantistico. Sebbene sia intrappolato in un ambiente a temperatura ambiente, il moto della particella è governato esclusivamente dalle leggi della fisica quantistica. Il team di scienziati dell'Università di Vienna, l'Accademia austriaca delle scienze e il Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno pubblicato il loro nuovo studio sulla rivista Scienza .

È ben noto che le proprietà quantistiche dei singoli atomi possono essere controllate e manipolate con la luce laser. Anche grandi nubi di centinaia di milioni di atomi possono essere spinte nel regime quantistico, dando origine a stati quantistici macroscopici della materia come i gas quantistici o i condensati di Bose-Einstein, che oggi trovano largo impiego anche nelle tecnologie quantistiche. Un entusiasmante passo successivo è estendere questo livello di controllo quantistico agli oggetti a stato solido. A differenza delle nuvole atomiche, la densità di un solido è un miliardo di volte superiore, e tutti gli atomi sono destinati a muoversi insieme lungo il centro di massa dell'oggetto.

Però, entrare in questo nuovo regime non è affatto un'impresa semplice. Un primo passo per ottenere tale controllo quantistico è isolare l'oggetto in esame dalle influenze dell'ambiente e rimuovere tutta l'energia termica, raffreddandolo fino a temperature molto vicine allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius) in modo che la meccanica quantistica domini il moto della particella. Per mostrare questo, i ricercatori hanno scelto di sperimentare con una perla di vetro circa 1000 volte più piccola di un granello di sabbia e contenente poche centinaia di milioni di atomi. L'isolamento dall'ambiente si ottiene intrappolando otticamente la particella in un raggio laser ben focalizzato in alto vuoto, un trucco che è stato originariamente introdotto dal premio Nobel Arthur Ashkin molti decenni fa, e questo è anche usato per isolare gli atomi. "La vera sfida è raffreddare il movimento delle particelle nel suo stato fondamentale quantistico. Il raffreddamento laser tramite transizioni atomiche è ben consolidato ed è una scelta naturale per gli atomi, ma non funziona per i solidi, ", afferma l'autore principale Uros Delic dell'Università di Vienna.

Per questa ragione, il team ha lavorato all'implementazione di un metodo di raffreddamento laser proposto dal fisico austriaco Helmut Ritsch dell'Università di Innsbruck e, indipendentemente, dal coautore dello studio Vladan Vuletic e dal premio Nobel Steven Chu. Avevano recentemente annunciato una prima dimostrazione del principio di funzionamento, raffreddamento della cavità mediante scattering coerente; però, erano ancora limitati ad operare lontano dal regime quantistico.

"Abbiamo aggiornato il nostro esperimento e ora siamo in grado non solo di rimuovere più gas di fondo, ma anche per inviare più fotoni per il raffreddamento, " dice Delic. In questo modo, il movimento della perla di vetro può essere raffreddato direttamente nel regime quantistico. "È divertente pensare a questo:la superficie della nostra perla di vetro è estremamente calda, intorno ai 300 gradi Celsius, perché il laser riscalda gli elettroni nel materiale. Ma il moto del centro di massa della particella è ultrafreddo, a circa 0,00001 gradi Celsius dallo zero assoluto, e possiamo dimostrare che la particella calda si muove in modo quantistico".

I ricercatori sono entusiasti delle prospettive del loro lavoro. Il moto quantistico dei solidi è stato studiato anche da altri gruppi in tutto il mondo, insieme alla squadra di Vienna. Finora, i sistemi sperimentali consistevano in risonatori nano e micromeccanici, in sostanza, tamburi o trampolini fissati a una struttura di supporto rigida. "La levitazione ottica porta molta più libertà:cambiando la trappola ottica, o addirittura spegnendola, possiamo manipolare il movimento delle nanoparticelle in modi completamente nuovi, "dice Nikolai Kiesel, co-autore e Assistant Professor presso l'Università di Vienna.

Sono stati proposti diversi schemi in questo senso, tra gli altri dai fisici austriaci Oriol Romero-Isart e Peter Zoller a Innsbruck, e ora potrebbe diventare possibile. Per esempio, in combinazione con lo stato fondamentale del movimento appena raggiunto, gli autori si aspettano che questo apra nuove opportunità per prestazioni di rilevamento senza precedenti, lo studio dei processi fondamentali dei motori termici in regime quantistico, così come lo studio dei fenomeni quantistici che coinvolgono grandi masse. "Un decennio fa, abbiamo iniziato questo esperimento motivati ​​dalla prospettiva di una nuova categoria di esperimenti quantistici. Abbiamo finalmente aperto le porte a questo regime".