'Squeezing' è usato in fisica, tra l'altro, per migliorare la risoluzione degli strumenti di misura. Consente di sopprimere il rumore di disturbo in modo che i segnali più piccoli possano essere rilevati in modo più sensibile. Il team guidato dalla professoressa fisica Eva Weig dell'Università di Costanza è ora in grado di mostrare come uno stato così compresso possa essere misurato in un modo molto più semplice rispetto ai metodi esistenti. Inoltre, il nuovo metodo consente di esaminare stati compressi in sistemi in cui tali misurazioni non erano possibili prima. I risultati sono pubblicati nell'attuale numero della rivista Revisione fisica X .

Spremere le fluttuazioni termiche di una nanostringa

Nell'esperimento del gruppo Nanomechanics guidato da Eva Weig, le fluttuazioni termiche di un risuonatore a corda nanomeccanico vibrante vengono schiacciate. La nanostringa può essere pensata come una minuscola corda di chitarra, mille volte più sottile e più corto di un capello umano. I sistemi nanomeccanici come la nanostringa in esame sono candidati promettenti per strumenti di misurazione ad alta precisione. La loro sensibilità, però, è naturalmente limitato a temperatura ambiente. L'energia termica provoca un rumore termico, un tremito della corda, che limita la precisione di misura. Questa vibrazione incontrollata del sistema a temperatura ambiente si basa sul teorema di equipartizione termodinamica, un principio fondamentale della fisica classica. Di conseguenza, il rumore termico deve essere ugualmente grande in ogni direzione del cosiddetto spazio delle fasi, cioè formare una distribuzione circolare.

Weig e la sua studentessa di dottorato Jana Huber hanno aggiunto una forte spinta a questo rumore termico. In questo modo la corda è stata colpita molto forte. Se la corda è deviata abbastanza lontano, cessa di comportarsi linearmente. Ciò significa che la forza che devia la corda non è più proporzionale alla forza che la riporta nella sua posizione originale. Il forte impulso altera le fluttuazioni termiche a seguito di una violazione della simmetria di inversione temporale. Nello spazio delle fasi, non sembrano più un cerchio ma un'ellisse:almeno in una direzione, il suo diametro, cioè il rumore, diventa significativamente più piccolo:viene schiacciato. "In teoria si sapeva in anticipo che ciò sarebbe dovuto accadere, ma non è mai stato misurato con tanta chiarezza, perché è un effetto relativamente sottile, " spiega Eva Weig.

Fattori di disturbo

Però, il metodo di mappare lo stato spremuto direttamente nello spazio delle fasi non sempre funziona. Questo vale anche per la nanostringa studiata dai ricercatori di Costanza. Considerando che una corda di chitarra convenzionale, una volta pizzicato, oscilla avanti e indietro solo poche centinaia di volte prima di calmarsi di nuovo, una nanostringa vibra oltre 300, 000 volte. Però, questa elevata "qualità meccanica" rende inoltre la corda molto sensibile ai disturbi, come minime variazioni di temperatura. In questi sistemi non è possibile misurare uno stato schiacciato come un'ellisse nello spazio delle fasi.

Huber sta quindi perseguendo un concetto diverso con la sua misurazione. Il rumore non viene esaminato nell'intero spazio delle fasi, ma risolto solo spettrale, cioè secondo le frequenze che vi si verificano. Oltre alla frequenza di azionamento, lo spettro mostra due ulteriori componenti di frequenza, uno a sinistra e uno a destra dell'unità, che sono assegnati al rumore termico. I fisici teorici Dr. Gianluca Rastelli e il professor Wolfgang Belzig dell'Università di Costanza e il professor Mark Dykman della Michigan State University (USA), che sono anche coinvolti nel lavoro, aveva previsto esattamente questo verificarsi di ulteriori frequenze. "Ma nessuno lo aveva mai visto così bene prima. Questo ha a che fare con il fatto che la nostra qualità meccanica è così alta che siamo stati in grado di risolverlo con una chiarezza cristallina, "dice Eva Weig.

Così, è anche la prima volta che questi due segnali satellitari possono essere visti differire in altezza. In stretta collaborazione con Gianluca Rastelli, Huber è stato in grado di dimostrare che la differenza di intensità tra questi due satelliti - il rapporto delle aree sotto i due segnali satellitari - è una misura diretta del parametro di compressione, cioè con quanta forza viene schiacciato il rumore.

'Radicamente semplice'

"Radicamente semplice" è il modo in cui i fisici Weig e Dykman descrivono il metodo che consente misurazioni di compressione non solo in sistemi meccanici come quello qui, ma su un'ampia gamma di sistemi, l'importante è che siano di alta qualità e abbiano una forte spinta. Ci sono anche collegamenti con i sistemi di meccanica quantistica.

Per di più, c'è una "congruenza accattivante tra esperimento e teoria, " come sottolineano all'unanimità Eva Weig e Wolfgang Belzig. I dati misurati si adattano precisamente al modello sviluppato dai colleghi di fisica teorico a Costanza e alla Michigan State University.