La levitazione sia di grandi oggetti che di singoli atomi è diventata una tecnica ampiamente utilizzata nella scienza e nell'ingegneria. Negli ultimi anni, molti ricercatori hanno iniziato a esplorare un nuovo orizzonte:la levitazione di nano e microparticelle, ancora più piccole del diametro di un singolo capello, ma composta da miliardi di atomi, nel vuoto.

La capacità di manipolare e misurare la traslazione e la rotazione di questi oggetti con alta precisione ha generato una nuova piattaforma sperimentale con opportunità uniche per la ricerca fondamentale e applicata.

"Per citare solo alcuni esempi:l'elevata sensibilità degli oggetti levitati alle forze e alle accelerazioni esterne stanno alimentando sia lo sviluppo dei sensori che la ricerca di nuova fisica, e il pieno controllo dell'attrito e delle forze che influenzano il movimento di queste particelle la verifica di ipotesi termodinamiche stocastiche. Inoltre, attrito e rumore possono essere ridotti al minimo creando un vuoto ultraelevato, aprendo la strada non solo al rilevamento e al rilevamento quantistico, ma anche per esplorare sovrapposizioni quantistiche macroscopiche in un regime di grandi masse finora inesplorato", afferma Oriol Romero-Isart dell'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica dell'Accademia austriaca delle scienze e del Dipartimento di fisica teorica dell'Università di Innsbruck.

Raffreddato allo stato fondamentale quantistico

Nel 2010, Le tecniche di ottica quantistica sono state proposte per la prima volta come un modo per raffreddare il movimento di una nanoparticella levitata al regime quantistico utilizzando una cavità ottica. Da allora, queste proposte sono state sviluppate sperimentalmente e integrate dalla realizzazione di meccanismi di controllo basati su ottiche, elettrico, e forze magnetiche. Da adesso, entrambi gli schemi di raffreddamento basati su cavità ottica e feedback attivo sono riusciti a raffreddare il movimento di una nanoparticella dielettrica levitata nello stato fondamentale quantistico, aprendo la strada verso la fisica quantistica inesplorata.

Fisica, scienza dei materiali e sensori

La levitazione di nano-oggetti in alto vuoto offre nuove opportunità per la ricerca e le applicazioni fornendo un isolamento dall'ambiente prima irraggiungibile. "L'attuale cassetta degli attrezzi consente di levitare e controllare qualsiasi tipo di nanooggetto, compresi i magneti, metalli, diamanti contenenti centri di colore, grafene, goccioline liquide, e anche l'elio superfluido, tramite ottica, elettrico, e interazioni magnetiche", spiega Carlos Gonzalez-Ballestero, Ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica Teorica dell'Università di Innsbruck. "Queste interazioni forniscono anche un mezzo per accoppiare i gradi di libertà interni (ad esempio fononi, magnon, eccitoni) ai gradi di libertà esterni ben controllati (traduzione, rotazione)."

I sistemi levitati sono banchi di prova puliti per la scienza dei materiali, dove la materia in condizioni estreme può essere sondata e persino ingegnerizzata. Per di più, i sistemi levitati sono una piattaforma ideale per studiare la fisica del non equilibrio. L'estensione del controllo a tutti i gradi di libertà di una particella levitata permette di ridurre le fonti di rumore e di decoerenza. Aprirà le porte a un nuovo regime di fisica quantistica macroscopica (ad esempio la preparazione di sovrapposizioni quantistiche macroscopiche di oggetti composti da miliardi di atomi) e l'indagine di forze deboli (ad esempio quelle previste dai modelli di materia oscura) in regimi ancora inesplorati. Finalmente, l'uso di sistemi levitati per il rilevamento ultrasensibile delle forze offre opportunità anche per applicazioni di rilevamento commerciali, compresi gravimetri, sensori di pressione, sensori di forza inerziale, e sensori di campo elettrico/magnetico.