Il mondo che i fisici quantistici studiano con un occhio allenato è lo stesso mondo in cui noi non scienziati navighiamo ogni giorno. L'unica differenza è che è stato ingrandito a scale incomprensibilmente piccole e grandi.

Tuttavia, la fisica quantistica rimane in gran parte un argomento oscuro, anche per i lettori scientificamente astuti. News@Northeastern ha parlato con Gregory Fiete, professore di fisica alla Northeastern, di alcune delle ampie applicazioni della ricerca quantistica, dallo sviluppo di fonti di energia rinnovabile e la costruzione di computer più potenti, al progresso della ricerca dell'umanità per scoprire la vita oltre il sistema solare. I commenti di Fiete sono stati modificati per brevità e chiarezza.

Per iniziare, diamo al nostro pubblico un'idea della natura del tuo lavoro, guardando il mondo dell'infinitamente piccolo. Quali sono alcune idee sbagliate sul lavoro in cui sono impegnati i fisici quantistici come te e perché è importante?

Hai menzionato il quantistico e il mondo del piccolo. Questo è ciò a cui la maggior parte delle persone pensa quando pensa alla meccanica quantistica e al modo in cui si sono sviluppati alcuni dei primi fondamenti della teoria quantistica, che considerava l'atomo di idrogeno e il modo in cui ha livelli di energia discreti, che puoi osservare sperimentalmente osservando gli spettri, o come assorbe ed emette luce, per esempio.

[L'atomo di idrogeno] assorbe ed emette a frequenze particolari, e ora capiamo che è a causa della natura quantistica dell'atomo, il modo in cui ci sono solo orbite specifiche consentite di un elettrone attorno al nucleo. Quindi tendiamo a pensare alla meccanica quantistica nei termini di questo primo esempio molto importante di un atomo di idrogeno, e quindi siamo portati a pensare che il quantistico riguardi il piccolo. Ma in realtà non si tratta affatto del piccolo.

Prendi il sole, per esempio. Il sole è molto grande:è l'oggetto più grande del nostro sistema solare; i nostri pianeti ruotano attorno ad esso in orbita a causa della sua attrazione gravitazionale.

Il modo in cui funziona il sole è che brucia idrogeno. La sua attrazione gravitazionale è così grande che sta combinando idrogeno in elio e poi elio in altri elementi. Sta fondendo insieme gli atomi e quel processo di fusione è un fenomeno quantistico, ed è alla base di una delle grandi sfide energetiche intraprese qui sulla Terra, nota come fusione sostenuta. Questo è solo prendere idrogeno e combinarlo in elio:se riusciamo a farlo sulla Terra all'interno di un confinamento magnetico, allora avremo una fonte di energia pulita e rinnovabile.

Ci sono essenzialmente quantità illimitate di idrogeno che possono essere combinate e l'elio non è radioattivo. Quindi potremmo produrre molta energia da cose che sono più o meno infinitamente abbondanti senza produrre rifiuti sotto forma di materiale radioattivo. Questo è un sogno a cui i fisici stanno lavorando. Quindi, alcune delle cose più grandi dell'universo sono sicuramente la meccanica quantistica, compresi i buchi neri supermassicci che possono perdere energia a causa di un fenomeno quantistico noto come radiazione di Hawking.

Il secondo punto è che spesso si pensa che il quantum abbia a che fare con temperature molto basse. Ancora una volta, per prendere il nostro sole come esempio:fa molto caldo, ma è quantomeccanico. La bassa temperatura non serve come requisito per il quantum. Questo esempio di una stella e la quantistica del processo di fusione e le alte temperature ad esso associate, voglio solo ampliare la visione di cosa sia la meccanica quantistica e quanto sia onnipresente.

Quando scriviamo del lavoro svolto da te e dai tuoi colleghi, ci sono sempre applicazioni nel mondo reale. Puoi parlare di alcuni dei modi in cui i fisici quantistici stanno stimolando i progressi tecnologici oltre il loro campo?

Citerò alcune delle mie tecnologie preferite. Una delle cose che mi eccita davvero della fisica quantistica è il suo uso per ciò che ritengo "forense", o scienza forense quantistica, se vuoi.

Poiché cose come gli atomi hanno livelli di energia discreti ad essi associati, si scopre che possono essere usati per identificare gli atomi. Se confronti i livelli di energia consentiti per l'idrogeno e i livelli di energia consentiti per l'elio, o qualsiasi altro elemento, sono diversi. Se avessi un gas di qualsiasi cosa, potresti determinare quali atomi ci sono nel gas osservando come assorbe ed emette luce. Questo è di grande valore pratico se sei interessato a qualcosa di lontano, come un pianeta che ruota attorno a una stella che non è la nostra.

C'è un fantastico campo di esopianeti che stiamo scoprendo usando potenti telescopi, rilevando questi pianeti che si muovono tra le stelle e la nostra Terra. I nostri telescopi, alcuni dei quali sono nello spazio collegati a satelliti con un'incredibile risoluzione e sensibilità in frequenza, sono così potenti che possiamo osservare il sottile strato dell'atmosfera attorno a questi pianeti e come la luce della stella lo attraversa. Quindi utilizziamo la tecnica della spettroscopia e vediamo come la luce della stella dietro viene assorbita dall'atmosfera di questo pianeta, che potrebbe trovarsi a migliaia di anni luce di distanza. Quindi possiamo rilevare quali atomi ci sono nell'atmosfera.

È abbastanza interessante. Ma va oltre. Possiamo anche rilevare quali molecole ci sono. Ad esempio, ci sono due atomi di idrogeno attaccati a un atomo di ossigeno? In altre parole, c'è acqua nell'atmosfera? Le molecole hanno la loro firma spettroscopica. Quindi possiamo effettivamente rilevare se c'è acqua nell'atmosfera di alcuni di questi pianeti, ed è davvero eccitante.

Tuttavia, possiamo fare un ulteriore passo avanti. Quando sono coinvolte le temperature, queste righe spettrali, come vengono chiamate, queste frequenze specifiche vengono ampliate. C'è un po' come una gamma di frequenze in cui vedi l'assorbimento e l'emissione. E la quantità che si è allargata ti dice della temperatura di una molecola, in altre parole, la temperatura dell'atmosfera di questi pianeti.

È abbastanza sorprendente che siamo in grado di determinare cosa c'è nell'atmosfera di questi pianeti, pianeti che sarebbero impossibili da visitare per gli umani. Questo, e possiamo cercare le firme della vita, tipo, ci sono molecole che associamo alla vita che galleggia su questi pianeti, almeno se è una vita simile alla Terra; allora potremmo essere in grado di determinare con una certa probabilità che qualche pianeta là fuori che nessun essere umano potrebbe mai visitare, ospita la vita. O forse potremmo scoprire altre forme di vita candidate. Questo è un esempio piuttosto stimolante e alla fine si basa sulla fisica quantistica e sulla tecnica della spettroscopia.

Un altro esempio che ritengo di grande interesse è che la fisica quantistica sta producendo fonti di energia che sono al di là della portata dell'energia solare. Quindi, quando invii una sonda nello spazio profondo per guardare i pianeti esterni del nostro sistema solare, diciamo Plutone (tecnicamente non più considerato un pianeta). Se vuoi guardare Plutone, invii una sonda nello spazio profondo:ci vogliono anni per arrivarci. Potresti chiedere, che tipo di fonte di alimentazione puoi avere per i computer su questa sonda in modo da poter inviare le bellissime immagini che vediamo? Bene, puoi mettere una batteria lì. Ci vorranno anni per arrivarci, lo spazio ha molte radiazioni e le batterie possono danneggiarsi; potrebbero non funzionare correttamente quando vengono lanciati attraverso tutte le variazioni di calore che escono dall'atmosfera e il freddo dello spazio, ecc. Non è molto pratico. Non c'è abbastanza luce solare che puoi raccogliere con i pannelli solari per far funzionare i sistemi informatici e inviare le immagini.

Quindi come alimentano i computer su queste sonde nello spazio profondo? Quello che usano sono le radiazioni. Usano un materiale radioattivo e la radioattività è ancora un altro processo quantistico, in cui gli elementi pesanti decadono in elementi più leggeri; quando lo fanno, espellono parti del loro nucleo. Ma queste parti espulse del nucleo trasportano energia che può essere catturata.

Ci sono materiali, alcuni dei quali sono molto vicini alle cose su cui lavoro, che sono chiamati materiali termoelettrici. Prendono regioni ad alta temperatura e le collegano a regioni a bassa temperatura, convertendo questa differenza di temperatura alta-bassa in una tensione, che quindi agisce come una batteria. Una volta che hai una tensione in un sistema elettrico, ora puoi spostare le correnti e far funzionare un computer o circuiti elettrici più o meno nel modo normale.

È tutto molto interessante. Sembra che la fisica quantistica sia davvero il lavoro fondamentale per trasformare la nostra infrastruttura energetica, tra le altre tecnologie. È questo il modo giusto di pensarci?

Sì, è giusto. È un ottimo punto:pensare ai cambiamenti climatici e alle energie rinnovabili e anche alle tecnologie che non inquinano il nostro ambiente.

Se pensiamo all'energia solo per un momento, come quando abbiamo discusso l'esempio della fusione, che è una tecnologia verde, supponendo che possiamo farla funzionare. Se ci allontaniamo dalla fusione, ci sono altre tecnologie in atto in questo momento che sono verdi. Prendi le turbine eoliche. Cosa hanno a che fare le turbine eoliche con la fisica quantistica? Il modo in cui funzionano le turbine eoliche è che hanno un magnete al loro interno attaccato alle eliche mentre il vento le fa girare e ruotando un magnete si genera una corrente elettrica. È così che si genera elettricità:si attorciglia un magnete all'interno di una bobina di fili.

Ma la domanda è:quale magnete dovresti usare? Quindi è qui che entra in gioco la ricerca fondamentale, in effetti la ricerca in cui sono coinvolto in una certa misura a Northeastern:pensare a sistemi magnetici che avrebbero proprietà desiderabili per applicazioni come le turbine eoliche.

Devi avere un magnete molto robusto che deve sopravvivere alle alte temperature, il che significa molto al di sopra della temperatura ambiente, perché può fare caldo lassù con il sole che splende su di esso. Deve anche avere proprietà sufficientemente robuste da sopravvivere a qualsiasi deformazione e stress mentre è attorcigliato in questo sistema di turbine. Questi sono i cosiddetti magneti duri. Quindi, come si sviluppano magneti migliori? Questa è una domanda quantistica.

Come ultimo pensiero, mi chiedo quali siano le tue grandi speranze per la tua ricerca e per il settore. Cosa vorresti che accadesse durante la tua vita e ci sono progressi a cui siamo prossimi?

Questa è una domanda difficile che tutti sul campo si pongono:quali sono i progressi a cui siamo veramente vicini? Un esempio ben citato è l'informatica quantistica. Avere un computer quantistico non risolverà tutti i problemi informatici che chiunque può sognare. Si scopre che i computer quantistici sono particolarmente abili in determinate classi di problemi, in cui possono fornire quello che viene chiamato un "vantaggio quantistico". Ci sono alcuni problemi specifici per i quali i computer quantistici sono più utili; ma altri problemi potrebbero essere risolti meglio dai supercomputer convenzionali.

Quindi una delle domande sul campo è cercare di fornire una risoluzione un po' più nitida su quali sono i problemi specifici con cui i computer quantistici ci aiuteranno. È un'area in evoluzione, come quello che è il vero problema di nicchia per un computer quantistico. Penso che tutti noi che lavoriamo sul campo sentiamo che ci saranno alcune applicazioni specifiche, in cui i computer quantistici superano davvero tutto il resto e tutti vogliono essere coinvolti in questo; tutti significano ogni nazione sviluppata. Tutti vogliono far parte di questa prossima rivoluzione quantistica, che non riguarda solo lo sviluppo della meccanica quantistica come una nuova scienza, ma la transizione della meccanica quantistica in applicazioni molto ampie. E l'informatica è solo un'area all'avanguardia. + Esplora ulteriormente

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