All'occhio umano, la maggior parte degli oggetti stazionari sembra essere proprio questo, tuttavia, e completamente a riposo. Eppure, se ci venisse data una lente quantistica, permettendoci di vedere gli oggetti alla scala dei singoli atomi, quella che era una mela posata pigramente sulla nostra scrivania apparirebbe come una brulicante collezione di particelle vibranti, molto in movimento.

Negli ultimi decenni, i fisici hanno trovato il modo di raffreddare gli oggetti in modo che i loro atomi siano quasi fermi, o nel loro "stato fondamentale di movimento". Ad oggi, i fisici hanno lottato con piccoli oggetti come nuvole di milioni di atomi, o oggetti su scala nanometrica, in tali stati quantistici puri.

Ora per la prima volta, scienziati al MIT e altrove hanno raffreddato un grande, oggetto a misura d'uomo per avvicinarsi al suo stato fondamentale di movimento. L'oggetto non è tangibile nel senso di essere situato in un luogo, ma è il moto combinato di quattro oggetti separati, ciascuno del peso di circa 40 chilogrammi. L'"oggetto" che i ricercatori hanno raffreddato ha una massa stimata di circa 10 chilogrammi, e comprende circa 1x10 ²⁶ , o quasi 1 ottilione, atomi.

I ricercatori hanno sfruttato la capacità del Laser Interfrometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) di misurare il moto delle masse con estrema precisione e raffreddare il moto collettivo delle masse a 77 nanokelvin, poco meno dello stato fondamentale previsto dell'oggetto di 10 nanokelvin.

I loro risultati, che appare oggi in Scienza , rappresentano l'oggetto più grande da raffreddare fino a raggiungere il suo stato fondamentale di movimento. Gli scienziati dicono che ora hanno la possibilità di osservare l'effetto della gravità su un enorme oggetto quantistico.

"Nessuno ha mai osservato come la gravità agisce su stati quantistici massicci, "dice Vivishek Sudhir, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT, che ha diretto il progetto. "Abbiamo dimostrato come preparare oggetti della scala di un chilogrammo in stati quantistici. Questo apre finalmente la porta a uno studio sperimentale su come la gravità potrebbe influenzare grandi oggetti quantistici, qualcosa finora solo sognato."

Gli autori dello studio sono membri del Laboratorio LIGO, e includono l'autore principale e studente laureato Chris Whittle, postdoc Evan Hall, ricercatrice Sheila Dwyer, Preside della Scuola di Scienze e Curtis e Kathleen Marble Professor di Astrofisica Nergis Mavalvala, e assistente professore di ingegneria meccanica Vivishek Sudhir.

Respingimento di precisione

Tutti gli oggetti incarnano una sorta di movimento come risultato delle molte interazioni che hanno gli atomi, tra loro e da influenze esterne. Tutto questo movimento casuale si riflette nella temperatura di un oggetto. Quando un oggetto si raffredda vicino alla temperatura zero, ha ancora un moto quantico residuo, uno stato chiamato "stato fondamentale del movimento".

Per fermare un oggetto nelle sue tracce, si può esercitare su di essa una forza uguale e contraria. (Pensa a fermare una palla da baseball in volo con la forza del tuo guanto.) Se gli scienziati possono misurare con precisione la grandezza e la direzione dei movimenti di un atomo, possono applicare forze contrastanti per abbassarne la temperatura, una tecnica nota come raffreddamento a feedback.

I fisici hanno applicato il raffreddamento a feedback attraverso vari mezzi, compresa la luce laser, per portare singoli atomi e oggetti ultraleggeri ai loro stati quantistici fondamentali, e hanno tentato di super-raffreddare oggetti progressivamente più grandi, per studiare gli effetti quantistici in grandi, sistemi tradizionalmente classici.

"Il fatto che qualcosa abbia una temperatura è un riflesso dell'idea che interagisce con le cose che lo circondano, " dice Sudhir. "Ed è più difficile isolare oggetti più grandi da tutte le cose che accadono intorno a loro".

Per raffreddare gli atomi di un oggetto di grandi dimensioni fino allo stato fondamentale prossimo, bisognerebbe prima misurarne il moto con estrema precisione, per conoscere il grado di respingimento richiesto per fermare questo movimento. Pochi strumenti al mondo possono raggiungere una tale precisione. LIGO, come succede, Potere.

L'osservatorio di rilevamento delle onde gravitazionali comprende interferometri gemelli in località separate degli Stati Uniti. Ogni interferometro ha due lunghi tunnel collegati a forma di L, e si estende per 4 chilometri in entrambe le direzioni. Alle due estremità di ogni tunnel c'è uno specchio di 40 chilogrammi sospeso da fibre sottili, che oscilla come un pendolo in risposta a qualsiasi disturbo come un'onda gravitazionale in arrivo. Un laser al nesso dei tunnel viene diviso e inviato in ogni tunnel, poi riflessa alla sua fonte. La tempistica dei laser di ritorno dice agli scienziati esattamente quanto si è mosso ogni specchio, con una precisione di 1/10, 000 la larghezza di un protone.

Sudhir e i suoi colleghi si sono chiesti se potevano usare la precisione di misurazione del movimento di LIGO per misurare prima il movimento di grandi, oggetti a misura d'uomo, quindi applicare una forza di contrasto, opposto a quello che misurano, riportare gli oggetti al loro stato fondamentale.

Reagire all'azione posteriore

L'oggetto che miravano a raffreddare non è uno specchio individuale, ma piuttosto il movimento combinato di tutti e quattro gli specchi di LIGO.

"LIGO è progettato per misurare il movimento articolare dei quattro specchi da 40 chilogrammi, "Spiega Sudhir. "Si scopre che è possibile mappare matematicamente il movimento articolare di queste masse, e pensali come il movimento di un singolo oggetto da 10 chilogrammi."

Quando si misura il movimento degli atomi e altri effetti quantistici, Sudhir dice, l'atto stesso della misurazione può calciare casualmente lo specchio e metterlo in movimento, un effetto quantistico chiamato "azione di ritorno della misurazione". Quando i singoli fotoni di un laser rimbalzano su uno specchio per raccogliere informazioni sul suo movimento, la quantità di moto del fotone respinge lo specchio. Sudhir e i suoi colleghi si sono resi conto che se gli specchi vengono misurati continuamente, come sono in LIGO, il rinculo casuale dei fotoni passati può essere osservato nelle informazioni trasportate dai fotoni successivi.

Armato di una registrazione completa dei disturbi sia quantistici che classici su ogni specchio, i ricercatori hanno applicato una forza uguale e contraria con elettromagneti attaccati alla parte posteriore di ogni specchio. L'effetto ha portato il movimento collettivo quasi a un punto morto, lasciando gli specchi con così poca energia che si sono mossi non più di 10 ^-20 metri, meno di un millesimo delle dimensioni di un protone.

Il team ha quindi equiparato l'energia rimanente dell'oggetto, o movimento, con la temperatura, e ho scoperto che l'oggetto si trovava a 77 nanokelvin, molto vicino al suo stato fondamentale di movimento, che prevedono essere 10 nanokelvin.

"Questo è paragonabile alla temperatura che i fisici atomici raffreddano i loro atomi per raggiungere il loro stato fondamentale, e questo è con una piccola nuvola di forse un milione di atomi, pesare picogrammi, " dice Sudhir. "Allora, è straordinario che tu possa raffreddare qualcosa di molto più pesante, alla stessa temperatura».

"Preparare qualcosa nello stato fondamentale è spesso il primo passo per metterlo in stati quantistici eccitanti o esotici, " Dice Whittle. "Quindi questo lavoro è entusiasmante perché potrebbe permetterci di studiare alcuni di questi altri stati, su una scala di massa che non è mai stata fatta prima."