La questione di dove si trovi il confine tra la fisica classica e quella quantistica è una delle ricerche più antiche della ricerca scientifica moderna e, in una nuova ricerca pubblicata oggi, gli scienziati dimostrano una nuova piattaforma che potrebbe aiutarci a trovare una risposta.
Le leggi della fisica quantistica governano il comportamento delle particelle su scala minuscola, portando a fenomeni come l'entanglement quantistico, in cui le proprietà delle particelle entangled diventano inestricabilmente legate in modi che non possono essere spiegati dalla fisica classica.
La ricerca nel campo della fisica quantistica ci aiuta a colmare le lacune nella nostra conoscenza della fisica e può fornirci un quadro più completo della realtà, ma le piccole scale su cui operano i sistemi quantistici possono renderli difficili da osservare e studiare.
Nel corso dell'ultimo secolo, i fisici hanno osservato con successo fenomeni quantistici in oggetti sempre più grandi, dalle particelle subatomiche come gli elettroni alle molecole che contengono migliaia di atomi.
Più recentemente, il campo dell’optomeccanica della levitazione, che si occupa del controllo di oggetti di massa elevata su scala micrometrica nel vuoto, mira a spingersi oltre testando la validità dei fenomeni quantistici in oggetti che sono diversi ordini di grandezza più pesanti degli atomi e molecole. Tuttavia, man mano che la massa e le dimensioni di un oggetto aumentano, le interazioni che danno luogo a delicate caratteristiche quantistiche come l'entanglement si perdono nell'ambiente, dando luogo al comportamento classico che osserviamo.
Ma ora, il team guidato dal dottor Jayadev Vijayan, capo del laboratorio di ingegneria quantistica dell’Università di Manchester, con scienziati dell’ETH di Zurigo e teorici dell’Università di Innsbruck, ha stabilito un nuovo approccio per superare questo problema in un esperimento condotto all'ETH di Zurigo, pubblicato sulla rivista Nature Physics .
Il dottor Vijayan ha affermato:"Per osservare i fenomeni quantistici su scala più ampia e far luce sulla transizione classica-quantistica, le caratteristiche quantistiche devono essere preservate in presenza di rumore ambientale. Come puoi immaginare, ci sono due modi per farlo; uno è sopprimere il rumore e il secondo è potenziare le caratteristiche quantistiche.
"La nostra ricerca dimostra un modo per affrontare la sfida adottando il secondo approccio. Mostriamo che le interazioni necessarie per l'entanglement tra due particelle di vetro di 0,1 micron intrappolate otticamente possono essere amplificate di diversi ordini di grandezza per superare le perdite nell'ambiente. "
Gli scienziati hanno posizionato le particelle tra due specchi altamente riflettenti che formano una cavità ottica. In questo modo, i fotoni diffusi da ciascuna particella rimbalzano tra gli specchi diverse migliaia di volte prima di lasciare la cavità, aumentando così la possibilità di interagire con l'altra particella.
Johannes Piotrowski, co-responsabile dello studio dell'ETH di Zurigo, ha aggiunto:"Sorprendentemente, poiché le interazioni ottiche sono mediate dalla cavità, la sua forza non decade con la distanza, il che significa che potremmo accoppiare particelle su scala micron su diversi millimetri."
I ricercatori dimostrano anche la notevole capacità di regolare o controllare con precisione la forza di interazione variando le frequenze laser e la posizione delle particelle all'interno della cavità.
I risultati rappresentano un passo avanti significativo verso la comprensione della fisica fondamentale, ma sono anche promettenti per applicazioni pratiche, in particolare nella tecnologia dei sensori che potrebbe essere utilizzata per il monitoraggio ambientale e la navigazione offline.
Il dottor Carlos Gonzalez-Ballestero, un collaboratore dell'Università Tecnica di Vienna, ha dichiarato:"Il punto di forza dei sensori meccanici levitati è la loro massa elevata rispetto ad altri sistemi quantistici che utilizzano il rilevamento. La massa elevata li rende adatti per rilevare le forze gravitazionali". e accelerazioni, con conseguente migliore sensibilità. In quanto tali, i sensori quantistici possono essere utilizzati in molte applicazioni diverse in vari campi, come il monitoraggio del ghiaccio polare per la ricerca sul clima e la misurazione delle accelerazioni per scopi di navigazione."
Piotrowski ha aggiunto:"È entusiasmante lavorare su questa piattaforma relativamente nuova e testare fino a che punto possiamo spingerla nel regime quantistico."
Ora, il team di ricercatori combinerà le nuove capacità con tecniche consolidate di raffreddamento quantistico in un passo avanti verso la convalida dell’entanglement quantistico. In caso di successo, ottenere l'entanglement di nano e microparticelle levitate potrebbe ridurre il divario tra il mondo quantistico e la meccanica classica quotidiana.
Presso il Photon Science Institute e il Dipartimento di ingegneria elettrica ed elettronica dell'Università di Manchester, il team del dottor Jayadev Vijayan continuerà a lavorare sull'optomeccanica della levitazione, sfruttando le interazioni tra più nanoparticelle per applicazioni nel rilevamento quantistico.
Ulteriori informazioni: Interazioni a lungo raggio mediate dalla cavità nell'optomeccanica della levitazione, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02405-3. www.nature.com/articles/s41567-024-02405-3
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dall'Università di Manchester
