I fisici del Trinity College di Dublino hanno proposto un termometro basato sull'entanglement quantistico in grado di misurare con precisione temperature un miliardo di volte più fredde di quelle nello spazio.

Queste temperature ultrafredde sorgono in nuvole di atomi, noti come gas di Fermi, che vengono creati dagli scienziati per studiare come si comporta la materia in stati quantistici estremi.

Il lavoro è stato condotto dal team QuSys del Trinity con borsisti post-dottorato, Dottor Mark Mitchison, Dott. Giacomo Guarnieri e Professor John Goold, in collaborazione con il Professor Steve Campbell (UCD) e il Dr. Thomas Fogarty e il Professor Thomas Busch che lavorano all'OIST, Okinawa, Giappone.

I loro risultati sono stati appena pubblicati come suggerimento dell'editore sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica .

Discutendo la proposta, Professor Gold, capo del gruppo QuSys di Trinity, spiega cos'è un gas ultrafreddo. Egli ha detto:

"Il modo standard in cui un fisico pensa a un gas è usare una teoria nota come meccanica statistica. Questa teoria è stata inventata da giganti della fisica come Maxwell e Boltzmann nel 19° secolo. Questi ragazzi hanno ripreso una vecchia idea dei filosofi greci che fenomeni macroscopici, come pressione e temperatura, potrebbe essere inteso in termini di movimento microscopico degli atomi. Dobbiamo ricordare che in quel momento, l'idea che la materia fosse fatta di atomi era rivoluzionaria."

Ha continuato:"Agli albori del XX secolo, un'altra teoria si è concretizzata. Questa è la meccanica quantistica e potrebbe essere la teoria più importante e accurata che abbiamo in fisica. Una famosa previsione della meccanica quantistica è che i singoli atomi acquisiscono caratteristiche ondulatorie, il che significa che al di sotto di una temperatura critica possono combinarsi con altri atomi in un'unica onda macroscopica con proprietà esotiche. Questa previsione ha portato a una ricerca sperimentale lunga un secolo per raggiungere la temperatura critica. Il successo è stato finalmente raggiunto negli anni '90 con la creazione dei primi gas ultrafreddi, raffreddato con laser (Premio Nobel 1997) e intrappolato con forti campi magnetici, un'impresa che ha vinto il Premio Nobel nel 2001."

Ha aggiunto:"Gas ultra-freddi come questi vengono ora creati regolarmente nei laboratori di tutto il mondo e hanno molti usi, che vanno dalla verifica delle teorie fisiche fondamentali al rilevamento delle onde gravitazionali. Ma le loro temperature sono incredibilmente basse a nanokelvin e inferiori! Giusto per darti un'idea, un kelvin è -272,15 gradi Celsius. Questi gas sono un miliardo di volte più freddi di così:i luoghi più freddi dell'universo e vengono creati proprio qui sulla Terra".

Quindi cos'è esattamente un gas di Fermi? Spiega:"Tutte le particelle nell'universo, compresi gli atomi, sono di due tipi chiamati "bosoni" e "fermioni". Un gas di Fermi comprende fermioni, prende il nome dal fisico Enrico Fermi. A temperature molto basse, bosoni e fermioni si comportano in modo completamente diverso. Mentre i bosoni amano aggregarsi, i fermioni fanno il contrario. Sono i massimi distanziatori sociali! Questa proprietà rende effettivamente difficile misurare la loro temperatura".

Dottor Mark Mitchison, il primo autore del saggio, spiega:"Tradizionalmente, la temperatura di un gas ultrafreddo si deduce dalla sua densità:a temperature più basse gli atomi non hanno energia sufficiente per diffondersi molto distanti, rendendo il gas più denso. Ma i fermioni si tengono sempre lontani, anche a temperature ultra basse, quindi ad un certo punto la densità di un gas di Fermi non ti dice nulla sulla temperatura. Anziché, abbiamo proposto di utilizzare un diverso tipo di atomo come sonda. Diciamo che hai un gas ultra freddo fatto di atomi di litio. Ora prendi un atomo diverso, diciamo potassio, e immergilo nel gas. Le collisioni con gli atomi circostanti cambiano lo stato della tua sonda di potassio e questo ti permette di dedurre la temperatura. Parlando tecnicamente, la nostra proposta prevede la creazione di una sovrapposizione quantistica:uno stato strano in cui l'atomo sonda interagisce e non interagisce contemporaneamente con il gas. Abbiamo dimostrato che questa sovrapposizione cambia nel tempo in un modo molto sensibile alla temperatura".

Il Dr. Giacomo Guarnieri fa la seguente analogia:"Un termometro è solo un sistema le cui proprietà fisiche cambiano con la temperatura in modo prevedibile. Ad esempio, puoi misurare la temperatura del tuo corpo misurando l'espansione del mercurio in un tubo di vetro. Il nostro termometro funziona in modo analogo, ma invece del mercurio misuriamo lo stato dei singoli atomi che sono entangled (o correlati) con un gas quantistico."

Professor Steve Campbell, UCD, osserva:"Questa non è solo un'idea lontana:ciò che stiamo proponendo qui può effettivamente essere implementato utilizzando la tecnologia disponibile nei moderni laboratori di fisica atomica. Che una fisica così fondamentale possa essere testata è davvero sorprendente. Tra le varie tecnologie quantistiche emergenti, sensori quantistici come il nostro termometro avranno probabilmente l'impatto più immediato, quindi è un lavoro tempestivo ed è stato evidenziato dagli editori di Physical Review Letters per questo motivo."

Il professor Goold aggiunge:"In effetti uno dei motivi per cui questo articolo è stato evidenziato è stato proprio perché abbiamo eseguito calcoli e simulazioni numeriche con un focus particolare su un esperimento che è stato eseguito in Austria e pubblicato alcuni anni fa in Scienza . Qui il gas di Fermi è un gas diluito di atomi di litio intrappolati che erano in contatto con impurità di potassio. Gli sperimentatori sono in grado di controllare lo stato quantistico con impulsi a radiofrequenza e misurare le informazioni sul gas. Queste sono operazioni che vengono utilizzate abitualmente in altre tecnologie quantistiche. Le scale temporali accessibili sono semplicemente sorprendenti e non avrebbero precedenti nei tradizionali esperimenti di fisica della materia condensata. Siamo entusiasti che la nostra idea di utilizzare queste impurità come termometro quantistico con una precisione squisita possa essere implementata e testata con la tecnologia esistente".