Ora, i ricercatori dell’ICFO (Barcellona, ​​Spagna) Sandra Buob, Jonatan Höschele, il dottor Vasiliy Makhalov e il dottor Antonio Rubio-Abadal, guidati dalla professoressa dell’ICREA presso l’ICFO Leticia Tarruell, spiegano come hanno costruito il loro microscopio quantistico a gas, chiamato QUIONE dal nome della dea greca della neve. Il microscopio per gas quantistici del gruppo è l'unico al mondo che cattura l'immagine di singoli atomi di gas quantistici di stronzio, nonché il primo del suo genere in Spagna.

La ricerca del team è pubblicata sulla rivista PRX Quantum .

Al di là delle immagini di grande impatto in cui è possibile distinguere i singoli atomi, l’obiettivo di QUIONE è la simulazione quantistica. Come spiega il Prof. Tarruell, "La simulazione quantistica può essere utilizzata per ridurre sistemi molto complicati in modelli più semplici per comprendere le domande aperte a cui i computer attuali non possono rispondere, ad esempio perché alcuni materiali conducono elettricità senza perdite anche a temperature relativamente elevate."

La singolarità di questo esperimento sta nel fatto che il team è riuscito a portare il gas di stronzio al regime quantistico, a posizionarlo in un reticolo ottico dove gli atomi potrebbero interagire mediante collisioni, e quindi ad applicare le tecniche di imaging del singolo atomo. Questi tre ingredienti insieme rendono unico il microscopio a gas quantico allo stronzio dell'ICFO.

Perché lo stronzio?

Fino ad ora, queste configurazioni del microscopio si basavano su atomi alcalini, come litio e potassio, che hanno proprietà più semplici in termini di spettro ottico rispetto agli atomi alcalino-terrosi come lo stronzio. Ciò significa che lo stronzio offre più ingredienti con cui giocare in questi esperimenti.

Negli ultimi anni, infatti, le proprietà uniche dello stronzio lo hanno reso un elemento molto popolare per applicazioni nei campi dell’informatica quantistica e della simulazione quantistica. Ad esempio, una nuvola di atomi di stronzio può essere utilizzata come processore quantistico atomico, che potrebbe risolvere problemi che vanno oltre le capacità degli attuali computer classici.

Tutto sommato, i ricercatori dell’ICFO hanno visto un grande potenziale per la simulazione quantistica nello stronzio e hanno iniziato a costruire il proprio microscopio quantistico a gas. Così è nato QUIONE.

QUIONE, un simulatore quantistico di veri cristalli

A tal fine, il team ha innanzitutto abbassato la temperatura del gas stronzio. Usando la forza di diversi raggi laser, hanno ridotto la velocità degli atomi fino al punto in cui sono rimasti quasi immobili, appena in movimento, la loro temperatura è stata ridotta quasi allo zero assoluto in pochi millisecondi. Dopo questo punto, le leggi della meccanica quantistica ne governarono il comportamento e gli atomi mostrarono nuove caratteristiche come la sovrapposizione e l'entanglement quantistici.

Successivamente, con l'aiuto di speciali laser, i ricercatori hanno attivato il reticolo ottico, che mantiene gli atomi disposti in una griglia lungo lo spazio.

"Puoi immaginarlo come un cartone di uova, dove i singoli siti sono effettivamente dove metti le uova. Ma invece delle uova, abbiamo gli atomi, e invece di un cartone, abbiamo il reticolo ottico", spiega Buob, il primo autore dell'articolo.

Gli atomi nel portauovo interagivano tra loro, a volte sperimentando il tunneling quantistico per spostarsi da un luogo all’altro. Questa dinamica quantistica tra gli atomi imita quella degli elettroni in alcuni materiali. Pertanto, lo studio di questi sistemi può far luce sul comportamento complesso di alcuni materiali, che è l'idea chiave della simulazione quantistica.

I ricercatori hanno scattato le immagini con il loro microscopio non appena il gas e il reticolo ottico erano pronti e hanno finalmente potuto osservare il loro gas quantico di stronzio atomo per atomo. A questo punto, la costruzione di QUIONE era già stata un successo, ma i suoi creatori volevano trarne ancora di più.

Così, oltre alle immagini, hanno ripreso video degli atomi e hanno potuto osservare che mentre gli atomi dovrebbero rimanere fermi durante l'imaging, a volte saltano in un sito reticolare vicino. Il fenomeno del tunneling quantistico può spiegare questo.

"Gli atomi 'saltavano' da un sito all'altro. Era qualcosa di molto bello da vedere, poiché stavamo letteralmente assistendo a una manifestazione diretta del loro comportamento quantistico intrinseco", afferma Buob.

Infine, il gruppo di ricerca ha utilizzato il microscopio a gas quantistico per confermare che il gas di stronzio era un superfluido, una fase quantistica della materia che scorre senza viscosità.

"Abbiamo improvvisamente spento il laser reticolare, in modo che gli atomi potessero espandersi nello spazio e interferire tra loro. Ciò ha generato una figura di interferenza dovuta alla dualità onda-particella degli atomi nel superfluido. Quando la nostra attrezzatura l'ha catturato, abbiamo verificato la presenza di superfluidità nel campione," spiega la Dott.ssa Rubio-Abadal.

"È un momento molto emozionante per la simulazione quantistica", osserva il prof. Tarruell. "Ora che abbiamo aggiunto lo stronzio all'elenco dei microscopi a gas quantistici disponibili, potremmo essere in grado di simulare presto materiali più complessi ed esotici. Quindi, si prevede che sorgano nuove fasi della materia. E ci aspettiamo anche di ottenere risultati molto più computazionali potere di utilizzare queste macchine come computer quantistici analogici."