Convincere gli atomi a fare ciò che vuoi non è facile, ma è al centro di molte ricerche rivoluzionarie in fisica.

La creazione e il controllo del comportamento di nuove forme di materia è di particolare interesse e un'area attiva di ricerca. Il nostro nuovo studio, pubblicato in Physical Review Letters , ha scoperto un nuovo modo di scolpire atomi ultrafreddi in forme diverse usando la luce laser.

Gli atomi ultrafreddi, raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto (-273°C), sono di grande interesse per i ricercatori in quanto consentono loro di vedere ed esplorare fenomeni fisici che altrimenti sarebbero impossibili. A queste temperature, più fredde dello spazio esterno, gruppi di atomi formano un nuovo stato della materia (non solido, liquido o gassoso) noto come condensati di Bose-Einstein (BEC). Nel 2001, i fisici hanno ricevuto il premio Nobel per la generazione di un tale condensato.

La caratteristica distintiva di un BEC è che i suoi atomi si comportano in modo molto diverso da quello che normalmente ci aspettiamo. Invece di agire come particelle indipendenti, hanno tutte la stessa energia (molto bassa) e sono coordinate tra loro.

Questo è simile alla differenza tra i fotoni (particelle di luce) provenienti dal Sole, che possono avere molte lunghezze d'onda (energie) diverse e oscillare indipendentemente, e quelli nei raggi laser, che hanno tutti la stessa lunghezza d'onda e oscillano insieme.

In questo nuovo stato della materia, gli atomi si comportano molto più come una singola struttura ondulatoria che come un gruppo di singole particelle. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare schemi di interferenza simili a onde tra due diversi BEC e persino di produrre "goccioline BEC" in movimento. Quest'ultimo può essere considerato l'equivalente atomico di un raggio laser.

Goccioline in movimento

Nel nostro ultimo studio, condotto con i nostri colleghi Gordon Robb e Gian-Luca Oppo, abbiamo studiato come i raggi laser di forma speciale possono essere utilizzati per manipolare atomi ultrafreddi di un BEC. L'idea di usare la luce per spostare gli oggetti non è nuova:quando la luce cade su un oggetto può esercitare una forza (molto piccola). Questa pressione di radiazione è il principio alla base dell'idea delle vele solari, in cui la forza esercitata dalla luce solare su grandi specchi può essere utilizzata per spingere un veicolo spaziale nello spazio.

In questo studio, però, abbiamo utilizzato un particolare tipo di luce che è in grado non solo di "spingere" gli atomi, ma anche di farli ruotare, un po' come una "chiave ottica". Questi raggi laser sembrano anelli luminosi (o ciambelle) piuttosto che punti e hanno un fronte d'onda contorto (elicoidale), come mostrato nell'immagine qui sotto.

Nelle condizioni corrette, quando tale luce contorta viene proiettata su un BEC in movimento, gli atomi al suo interno vengono prima attratti verso l'anello luminoso prima di essere ruotati attorno ad esso. Quando gli atomi ruotano, sia la luce che gli atomi iniziano a formare goccioline che orbitano attorno alla direzione originale del raggio laser prima di essere espulse verso l'esterno, lontano dall'anello.

Il numero di goccioline è pari al doppio del numero di torsioni di luce. Modificando il numero, o la direzione, delle torsioni nel raggio laser iniziale, abbiamo avuto il pieno controllo sul numero di goccioline che si sono formate e sulla velocità e direzione della loro successiva rotazione (vedi immagine sotto). Potremmo anche impedire alle goccioline atomiche di fuoriuscire dall'anello in modo che continuassero ad orbitare molto più a lungo, producendo una forma di corrente atomica ultrafredda.

Correnti atomiche ultrafredde

Questo approccio di brillare di luce contorta attraverso atomi ultrafreddi apre un nuovo e semplice modo di controllare e scolpire la materia in ulteriori forme non convenzionali e complesse.

Una delle potenziali applicazioni più interessanti dei BEC è la generazione di "circuiti atomici", in cui le onde di materia di atomi ultrafreddi sono guidate e manipolate da campi ottici e/o magnetici per formare equivalenti avanzati di circuiti elettronici e dispositivi come transistor e diodi. Essere in grado di manipolare in modo affidabile la forma di un BEC contribuirà in definitiva a creare circuiti atomici.

I nostri atomi ultrafreddi, che agiscono qui come un "dispositivo di interferenza quantistica superconduttore atomico", hanno il potenziale per fornire dispositivi di gran lunga superiori rispetto all'elettronica convenzionale. Questo perché gli atomi neutri provocano una minore perdita di informazioni rispetto agli elettroni che normalmente costituiscono la corrente. Abbiamo anche la possibilità di modificare più facilmente le funzioni del dispositivo.

La cosa più interessante, tuttavia, è il fatto che il nostro metodo ci consente la possibilità di produrre circuiti atomici complessi che sarebbero semplicemente impossibili da progettare con materiali normali. Ciò potrebbe aiutare a progettare sensori quantistici altamente controllabili e facilmente riconfigurabili in grado di misurare minuscoli campi magnetici che altrimenti sarebbero incommensurabili. Tali sensori sarebbero utili in aree che vanno dalla ricerca fisica di base alla scoperta di nuovi materiali o alla misurazione di segnali dal cervello. + Esplora ulteriormente

Un modo semplice per scolpire la materia in forme complesse

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.