Nel campo della meccanica quantistica, la capacità di osservare e controllare i fenomeni quantistici a temperatura ambiente è stata a lungo sfuggente, soprattutto su larga scala o “macroscopica”. Tradizionalmente, tali osservazioni sono state confinate in ambienti vicini allo zero assoluto, dove gli effetti quantistici sono più facili da rilevare. Ma la necessità di un freddo estremo ha rappresentato un grosso ostacolo, limitando le applicazioni pratiche delle tecnologie quantistiche.
Ora, uno studio condotto da Tobias J. Kippenberg e Nils Johan Engelsen presso l’EPFL, ridefinisce i confini di ciò che è possibile. Questo lavoro pionieristico unisce fisica quantistica e ingegneria meccanica per ottenere il controllo dei fenomeni quantistici a temperatura ambiente.
"Raggiungere il regime dell'optomeccanica quantistica a temperatura ambiente è una sfida aperta da decenni", afferma Kippenberg. "Il nostro lavoro realizza efficacemente il microscopio Heisenberg, a lungo ritenuto solo un modello giocattolo teorico."
Nella loro configurazione sperimentale, pubblicata su Nature , i ricercatori hanno creato un sistema optomeccanico a bassissimo rumore, una configurazione in cui la luce e il movimento meccanico si interconnettono, consentendo loro di studiare e manipolare il modo in cui la luce influenza gli oggetti in movimento con elevata precisione.
Il problema principale con la temperatura ambiente è il rumore termico, che disturba la delicata dinamica quantistica. Per minimizzare ciò, gli scienziati hanno utilizzato specchi a cavità, che sono specchi specializzati che rimbalzano la luce avanti e indietro all'interno di uno spazio ristretto (la cavità), "intrappolandola" di fatto e migliorando la sua interazione con gli elementi meccanici del sistema. Per ridurre il rumore termico, gli specchi sono modellati con strutture periodiche simili a cristalli ("cristallo fononico").
Un altro componente cruciale era un dispositivo a tamburo da 4 mm chiamato oscillatore meccanico, che interagisce con la luce all’interno della cavità. Le sue dimensioni e il suo design relativamente grandi sono fondamentali per isolarlo dal rumore ambientale, rendendo possibile il rilevamento di sottili fenomeni quantistici a temperatura ambiente.
"Il tamburo che utilizziamo in questo esperimento è il culmine di molti anni di sforzi per creare oscillatori meccanici ben isolati dall'ambiente", afferma Engelsen.
"Le tecniche che abbiamo utilizzato per gestire fonti di rumore note e complesse sono di grande rilevanza e impatto per la più ampia comunità di rilevamento e misurazione di precisione", afferma Guanhao Huang, uno dei due dottorandi. studenti che guidano il progetto.
L'impostazione ha permesso ai ricercatori di ottenere la "spremitura ottica", un fenomeno quantistico in cui alcune proprietà della luce, come la sua intensità o fase, vengono manipolate per ridurre le fluttuazioni in una variabile a scapito dell'aumento delle fluttuazioni nell'altra, come dettato dalla teoria di Heisenberg. principio.
Dimostrando la spremitura ottica a temperatura ambiente nel loro sistema, i ricercatori hanno dimostrato di poter controllare e osservare efficacemente i fenomeni quantistici in un sistema macroscopico senza la necessità di temperature estremamente basse. Inizio modulo
Il team ritiene che la capacità di far funzionare il sistema a temperatura ambiente amplierà l'accesso ai sistemi optomeccanici quantistici, che sono banchi di prova consolidati per la misurazione quantistica e la meccanica quantistica su scala macroscopica.
"Il sistema che abbiamo sviluppato potrebbe facilitare nuovi sistemi quantistici ibridi in cui il tamburo meccanico interagisce fortemente con diversi oggetti, come nuvole di atomi intrappolati", aggiunge Alberto Beccari, l'altro Ph.D. studente che guida lo studio. "Questi sistemi sono utili per l'informazione quantistica e ci aiutano a capire come creare stati quantistici grandi e complessi."
Ulteriori informazioni: Nils Engelsen, Optomeccanica quantistica a temperatura ambiente che utilizza una cavità a rumore ultrabasso, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06997-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06997-3
Informazioni sul giornale: Natura
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