Il comportamento dei materiali dipende dalle interazioni tra innumerevoli atomi. Potresti vederlo come una gigantesca chat di gruppo in cui gli atomi si scambiano continuamente informazioni quantistiche. I ricercatori della Delft University of Technology in collaborazione con la RWTH Aachen University e il Centro di ricerca Jülich sono stati ora in grado di intercettare una chat tra due atomi. Presentano i loro risultati in Scienza il 28 maggio.

atomi, Certo, non parlare proprio. Ma possono reagire l'uno all'altro. Questo è particolarmente vero per gli atomi magnetici. "Ogni atomo porta un piccolo momento magnetico chiamato spin. Questi spin si influenzano a vicenda, come fanno gli aghi della bussola quando li avvicini. Se dai una spinta a uno di loro, inizieranno a muoversi insieme in un modo molto specifico, " spiega Sander Otte, capo del gruppo che ha svolto la ricerca. "Ma secondo le leggi della meccanica quantistica, ogni giro può essere puntato contemporaneamente in varie direzioni, formando una sovrapposizione. Ciò significa che il trasferimento effettivo di informazioni quantistiche avviene tra gli atomi, come una sorta di conversazione."

Ago affilato

Su larga scala, questo tipo di scambio di informazioni tra atomi può portare a fenomeni affascinanti. Un classico esempio è la superconduttività:l'effetto per cui alcuni materiali perdono tutta la resistività elettrica al di sotto di una temperatura critica. Sebbene ben compreso per i casi più semplici, nessuno sa esattamente come avvenga questo effetto in molti materiali complessi. Ma è certo che le interazioni quantistiche magnetiche giocano un ruolo chiave. Allo scopo di cercare di spiegare fenomeni come questo, gli scienziati sono molto interessati a poter intercettare questi scambi; per ascoltare le conversazioni tra gli atomi.

Nella squadra di Otte si occupano di questo in modo piuttosto diretto:mettono letteralmente due atomi uno accanto all'altro per vedere cosa succede. Ciò è possibile grazie a un microscopio a effetto tunnel:un dispositivo in cui un ago appuntito può sondare gli atomi uno per uno e può persino riordinarli. I ricercatori hanno utilizzato questo dispositivo per posizionare due atomi di titanio a una distanza di poco più di un nanometro, un milionesimo di millimetro, l'uno dall'altro. A quella distanza, gli atomi sono solo in grado di rilevare lo spin dell'altro. Se ora girassi uno dei due giri, la conversazione sarebbe iniziata da sola.

Generalmente, questa torsione viene eseguita inviando segnali radio molto precisi agli atomi. Questa cosiddetta tecnica di risonanza di spin, che ricorda abbastanza il principio di funzionamento di uno scanner MRI trovato negli ospedali, viene utilizzata con successo nella ricerca sui bit quantistici. Questo strumento è disponibile anche per il team di Delft, ma ha uno svantaggio. "È semplicemente troppo lento, " dice il dottorando Lukas Veldman, autore principale sul Scienza pubblicazione. "Hai appena iniziato a ruotare una rotazione prima che l'altra inizi a ruotare. In questo modo non puoi mai indagare su cosa succede posizionando le due rotazioni in direzioni opposte."

Approccio non ortodosso

Quindi i ricercatori hanno provato qualcosa di poco ortodosso:hanno rapidamente invertito lo spin di uno dei due atomi con un improvviso scoppio di corrente elettrica. Con loro sorpresa, questo approccio drastico ha portato a una bellissima interazione quantistica, esattamente dal libro. Durante il polso, gli elettroni si scontrano con l'atomo, facendo ruotare la sua rotazione. Otte:"Ma abbiamo sempre pensato che durante questo processo, la delicata informazione quantistica, la cosiddetta coerenza, è andata persa. Dopotutto, gli elettroni sono incoerenti:la storia di ciascun elettrone prima della collisione è leggermente diversa e questo caos viene trasferito allo spin dell'atomo, distruggendo ogni coerenza».

Il fatto che questo ora sembri non essere vero è stato motivo di dibattito. Apparentemente, ogni elettrone casuale, indipendentemente dal suo passato, può avviare una sovrapposizione coerente:una combinazione specifica di stati quantistici elementari che è pienamente nota e che costituisce la base per quasi ogni forma di tecnologia quantistica.

Perfetta sovrapposizione

"Il punto cruciale è che dipende dalla domanda che fai, " sostiene Markus Ternes, coautore dell'Università RWTH di Aquisgrana e del Centro di ricerca Jülich. "L'elettrone inverte lo spin di un atomo facendolo puntare, dire, A sinistra. Puoi vederlo come una misura, cancellare tutta la memoria quantistica. Ma dal punto di vista del sistema combinato comprendente entrambi gli atomi, la situazione che ne risulta non è affatto così banale. Per i due atomi insieme, il nuovo stato costituisce una perfetta sovrapposizione, consentire lo scambio di informazioni tra di loro. Fondamentale perché ciò accada è che entrambi gli spin diventino entangled:uno stato quantico peculiare in cui condividono più informazioni l'uno sull'altro di quanto sia classicamente possibile".

La scoperta può essere importante per la ricerca sui bit quantistici. Forse anche in quella ricerca potresti cavartela con l'essere leggermente meno attenti durante l'inizializzazione degli stati quantistici. Ma per Otte e il suo team è soprattutto il punto di partenza di esperimenti ancora più belli. Veldman:"qui abbiamo usato due atomi, ma cosa succede quando ne usi tre? o dieci, o mille? Nessuno può prevederlo, poiché la potenza di calcolo è inferiore a tali numeri. Forse un giorno saremo in grado di ascoltare conversazioni quantistiche che nessuno ha mai potuto sentire prima".