Gli ingegneri quantistici dell'UNSW hanno sviluppato un nuovo amplificatore che potrebbe aiutare altri scienziati a cercare le sfuggenti particelle di materia oscura.
Immagina di lanciare una palla. Ti aspetteresti che la scienza sia in grado di determinare la sua esatta velocità e posizione in un dato momento, giusto? Ebbene, la teoria della meccanica quantistica dice che non è possibile conoscerli entrambi con infinita precisione allo stesso tempo.
Si scopre che man mano che misuri con maggiore precisione dove si trova la palla, conoscere la sua velocità diventa sempre meno accurato.
Questo enigma viene comunemente chiamato principio di indeterminazione di Heisenberg, dal nome del famoso fisico Werner Heisenberg che per primo lo descrisse.
Per la palla questo effetto è impercettibile, ma nel mondo quantistico dei piccoli elettroni e fotoni l'incertezza di misurazione diventa improvvisamente molto significativa.
Questo è il problema affrontato da un team di ingegneri dell'UNSW Sydney che hanno sviluppato un dispositivo di amplificazione che esegue misurazioni precise di segnali a microonde molto deboli, e lo fa attraverso un processo noto come squeezing.
Lo schiacciamento comporta la riduzione della certezza di una proprietà di un segnale al fine di ottenere misurazioni ultraprecise di un'altra proprietà.
Il team di ricercatori dell'UNSW, guidato dal professore associato Jarryd Pla, ha aumentato significativamente la precisione della misurazione dei segnali alle frequenze delle microonde, come quelle emesse dal telefono cellulare, al punto da stabilire un nuovo record mondiale.
La precisione della misurazione di qualsiasi segnale è fondamentalmente limitata dal rumore. Il rumore è la confusione che si insinua e maschera i segnali, qualcosa che potresti aver sperimentato se ti sei mai avventurato fuori portata mentre ascoltavi la radio AM o FM.
Tuttavia, l'incertezza nel mondo quantistico significa che esiste un limite al livello di rumore che può essere ridotto in una misurazione.
"Anche nel vuoto, uno spazio vuoto di ogni cosa, il principio di indeterminazione ci dice che dobbiamo comunque avere del rumore. Lo chiamiamo rumore del "vuoto". Per molti esperimenti quantistici, il rumore del vuoto è l'effetto dominante che ci impedisce di effettuare misurazioni più precise ," dice l'A/Prof. Pla della School of Electrical Engineering and Telecommunications dell'UNSW e coautore di un articolo pubblicato su Nature Communications .
Lo spremitore prodotto dal team UNSW può superare questo limite quantico.
"Il dispositivo amplifica il rumore in una direzione, in modo che il rumore in un'altra direzione venga significativamente ridotto, o 'spremuto'. Pensate al rumore come ad una pallina da tennis, se la allunghiamo verticalmente, allora deve ridursi lungo l'orizzontale per mantenere il suo volume. Possiamo quindi utilizzare la parte ridotta del rumore per effettuare misurazioni più precise," A/Prof. Pla dice.
"Fondamentalmente, abbiamo dimostrato che lo spremitore è in grado di ridurre il rumore per registrare livelli bassi."
Il dispositivo è stato il risultato di un lavoro scrupoloso. Dottorato di ricerca il candidato Arjen Vaartjes, coautore principale dell'articolo insieme ai colleghi dell'UNSW Dr. Anders Kringhøj e Dr. Wyatt Vine, aggiunge:"La spremitura è molto difficile alle frequenze delle microonde perché i materiali utilizzati tendono a distruggere abbastanza facilmente il fragile rumore schiacciato.
"Ciò che abbiamo fatto è un grande lavoro di ingegneria per eliminare le fonti di perdita, il che significa utilizzare materiali superconduttori di altissima qualità per costruire l'amplificatore."
E il team ritiene che il nuovo dispositivo potrebbe contribuire ad accelerare la ricerca di particelle notoriamente sfuggenti note come assioni, che per ora sono solo teoriche, ma proposte da molti come l'ingrediente segreto della misteriosa materia oscura.
Misurazioni dell'Axion
Effettuare misurazioni precise è compito degli scienziati che cercano di scoprire cosa costituisce la materia oscura, che si ritiene costituisca circa il 27% dell'universo conosciuto, ma rimane un mistero cosmico poiché gli scienziati non sono stati in grado di identificarla effettivamente.
Come suggerisce il nome, non emette né assorbe luce, motivo per cui è "invisibile". Ma i fisici credono che debba essere lì, esercitando un'attrazione gravitazionale, altrimenti le galassie si disperderebbero.
Esistono molte teorie diverse sulla composizione della materia oscura, inclusa la proposta esistenza dei cosiddetti assioni.
Anche gli assioni stessi non sono mai stati scoperti, in teoria sono quasi insondabilmente piccoli, con una massa estremamente bassa come singola particella, e quindi interagiscono in modo praticamente impercettibile con altra materia conosciuta.
Tuttavia, un'idea prevede che, se esposti a grandi campi magnetici, gli assioni dovrebbero produrre segnali a microonde molto deboli. Gli scienziati utilizzano apparecchiature altamente sensibili ed eseguono misurazioni meticolose nel tentativo di individuare questi minuscoli segnali.
Ma come dice l'A/Prof. Pla afferma:"Quando si tenta di rilevare particelle spettrali come gli assioni, anche il rumore del vuoto può essere assordante."
Il lavoro svolto sulla compressione presso l'UNSW significa che tali misurazioni potrebbero ora essere eseguite fino a sei volte più velocemente, aumentando le possibilità di scoprire un assione sfuggente.
"I rilevatori di assioni possono utilizzare gli spremitori per ridurre il rumore e accelerare le misurazioni. I nostri risultati indicano che questi esperimenti potrebbero ora essere eseguiti ancora più velocemente di prima", afferma A/Prof. Pla.
"Gli scienziati possono vedere gli effetti della materia oscura sulle galassie, ma nessuno lo ha mai rilevato. Fino a quando non si misurerà fisicamente un assione, allora sarà sempre e solo una teoria su come si manifesta la materia oscura."
L'autore principale congiunto, il dottor Vine, afferma che ci sono altre applicazioni per il nuovo dispositivo di amplificazione del team.
"Ciò che abbiamo dimostrato nel nostro studio è che il dispositivo può essere utilizzato a temperature più elevate rispetto agli spremitori precedenti e anche in ampi campi magnetici", afferma il dott. Vine.
"Ciò apre la strada all'applicazione in tecniche come la spettroscopia, che viene utilizzata per studiare la struttura di nuovi materiali e sistemi biologici come le proteine. Il rumore compresso significa che potresti studiare volumi più piccoli o misurare campioni con maggiore precisione."
Il dottor Kringhøj osserva che il rumore compresso stesso potrebbe essere utilizzato anche nei futuri computer quantistici.
"Si scopre che il rumore del vuoto compresso è un ingrediente per costruire un certo tipo di computer quantistico. La cosa interessante è che il livello di compressione che abbiamo raggiunto non è lontano dalla quantità necessaria per costruire un sistema del genere", afferma.
