Un gruppo di fisici teorici, tra cui due fisici dell'Università di Groningen, hanno proposto un dispositivo "da tavolo" in grado di misurare le onde gravitazionali. Però, il loro vero scopo è rispondere a una delle più grandi domande della fisica:la gravità è un fenomeno quantistico? L'elemento chiave per il dispositivo è la sovrapposizione quantistica di oggetti di grandi dimensioni. Il loro design è stato pubblicato in Nuovo Giornale di Fisica il 6 agosto.

Già in fase di prestampa, il documento scritto da Ryan J. Marshman, Peter F. Barker e Sougato Bose (University College London, UK), Gavin W. Morley (Università di Warwick, Regno Unito) e Anupam Mazumdar e Steven Hoekstra (Università di Groningen, Paesi Bassi) è stato salutato come un nuovo metodo per misurare le onde gravitazionali. Invece degli attuali rilevatori LIGO e VIRGO, lunghi chilometri, i fisici che lavorano nel Regno Unito e nei Paesi Bassi hanno proposto un rilevatore da tavolo. Questo dispositivo sarebbe sensibile alle frequenze più basse rispetto agli attuali rilevatori e sarebbe facile puntarli su parti specifiche del cielo, al contrario, i rilevatori di corrente vedono solo una parte fissa.

Diamante

La parte fondamentale del dispositivo è un minuscolo diamante, dimensioni di pochi nanometri. "In questo diamante, uno degli atomi di carbonio è sostituito da un atomo di azoto, " spiega l'assistente professore Anupam Mazumdar. Questo atomo introduce uno spazio libero nella banda di valenza, che può essere riempito con un elettrone in più. La teoria quantistica afferma che quando l'elettrone viene irradiato con luce laser, può assorbire o non assorbire l'energia del fotone. Assorbire l'energia altererebbe lo spin dell'elettrone, un momento magnetico che può essere alto o basso.

"Proprio come il gatto di Schrödinger, che è morto e vivo allo stesso tempo, questo spin dell'elettrone assorbe e non assorbe l'energia del fotone, in modo che il suo spin sia sia su che giù." Questo fenomeno è chiamato sovrapposizione quantistica. Poiché l'elettrone fa parte del diamante, l'intero oggetto, con una massa di circa 10 ^-17 chilogrammi, che è enorme per i fenomeni quantistici, è in sovrapposizione quantistica.

"Abbiamo un diamante che ha spin verso l'alto e verso il basso allo stesso tempo, " spiega Mazumdar. Applicando un campo magnetico, è possibile separare i due stati quantistici. Quando questi stati quantistici vengono riuniti di nuovo spegnendo il campo magnetico, creeranno uno schema di interferenza. "La natura di questa interferenza dipende dalla distanza percorsa dai due stati quantistici separati. E questo può essere usato per misurare le onde gravitazionali". Queste onde sono contrazioni dello spazio, in modo che il loro passaggio influisca sulla distanza tra i due stati separati e quindi sul modello di interferenza.

Collegamento mancante

Il documento mostra che questa configurazione potrebbe effettivamente rilevare le onde gravitazionali. Ma non è quello che interessa davvero a Mazumdar e ai suoi colleghi. "Un sistema in cui possiamo ottenere la sovrapposizione quantistica di un oggetto mesoscopico come il diamante, e per un periodo di tempo ragionevole, sarebbe una vera svolta, " Dice Mazumdar. "Consentirebbe di prendere tutti i tipi di misurazioni, e uno di questi potrebbe essere usato per determinare se la gravità stessa è un fenomeno quantistico." La gravità quantistica è stata l'"anello mancante" in fisica per quasi un secolo.

In un articolo pubblicato nel 2017, Mazumdar e il suo collaboratore di lunga data Sougato Bose, insieme a diversi colleghi, ha suggerito che l'entanglement tra due oggetti mesoscopici potrebbe essere utilizzato per scoprire se la gravità stessa è un fenomeno quantistico. In poche parole:l'entanglement è un fenomeno quantistico, quindi quando due oggetti che interagiscono solo attraverso la gravità mostrano entanglement, questo dimostra che la gravità è un fenomeno quantistico.

Tecnologia

"Nel nostro ultimo documento, descriviamo come creare la sovrapposizione quantistica mesoscopica. Con due di questi sistemi, siamo stati in grado di mostrare entanglement." Tuttavia, come hanno notato durante il loro lavoro, il singolo sistema sarebbe sensibile alle onde gravitazionali e questo divenne il fulcro del Nuovo Giornale di Fisica carta.

"La tecnologia per costruire questi sistemi potrebbe richiedere alcuni decenni per svilupparsi, " Mazumdar riconosce. Un vuoto di 10 ^-15 Pasquale è richiesto, mentre la temperatura di esercizio dovrebbe essere la più bassa possibile, vicino allo zero assoluto (-273 °C). "La tecnologia per ottenere l'alto vuoto o la bassa temperatura è disponibile, ma abbiamo bisogno della tecnologia per ottenere entrambi allo stesso tempo." Inoltre, il campo magnetico deve essere costante. "Qualsiasi fluttuazione farebbe crollare la sovrapposizione quantistica".

Caduta libera

La ricompensa per la creazione di questo tipo di sistema sarebbe grande. "Potrebbe essere utilizzato per tutti i tipi di misurazioni in campi come la fisica a bassissima energia o l'informatica quantistica, per esempio." E potrebbe, Certo, essere utilizzato per determinare se la gravità è un fenomeno quantistico. Mazumdar, Bose e colleghi hanno appena caricato un'altra prestampa in cui descrivono come potrebbe essere eseguito questo esperimento. "Per garantire che l'unica interazione tra i due oggetti entangled sia la gravità tra di loro, l'esperimento dovrebbe essere fatto in caduta libera, " spiega Mazumdar. Con visibile entusiasmo, descrive un pozzo lungo un chilometro in una profonda miniera, per ridurre le interferenze. Due sistemi quantistici mesoscopici entangled dovrebbero essere eliminati ripetutamente per ottenere una misurazione affidabile. "Penso che questo possa essere fatto nella mia vita. E il risultato potrebbe finalmente risolvere una delle più grandi questioni della fisica".