Le tecnologie quantistiche portano la promessa di un’elaborazione più veloce, di un migliore sviluppo di farmaci e di nuove applicazioni di rilevamento. Tuttavia, i comportamenti quantistici sono difficili da studiare sperimentalmente poiché la maggior parte dei sistemi può sostenere gli effetti quantistici solo per un breve periodo.

"Il motivo per cui le caratteristiche misteriose della fisica quantistica tendono a svanire così rapidamente è un processo chiamato decoerenza", ha affermato Kaden Hazzard, professore associato di fisica e astronomia alla Rice University e autore corrispondente di uno studio pubblicato su Nature Physics .

"Si verifica quando un sistema quantistico interagisce con l'ambiente circostante e questo cambia la fisica. Più grande è il sistema e maggiori sono gli accoppiamenti con l'ambiente circostante, più il sistema si comporterà in modo classico, non quantistico, e tu perdi la tua capacità per indagare le cose a livello quantistico."

Gli scienziati e i collaboratori della Rice sono stati in grado di prolungare il comportamento quantistico in un sistema sperimentale di quasi 30 volte utilizzando temperature ultrafredde e lunghezze d'onda laser per generare una "trappola magica" che ha contribuito a ritardare l'inizio della decoerenza. Lo studio è la prima dimostrazione sperimentale di questo tipo e fornisce una nuova arena per studiare le interazioni quantistiche.

Il gruppo di Simon Cornish del Dipartimento di Fisica dell'Università di Durham nel Regno Unito ha collaborato con Hazzard e il suo gruppo alla Rice per raffreddare le molecole fino a un miliardo di volte al di sotto della temperatura ambiente per creare un sistema meccanico quantistico unico. Hanno quindi impostato quelle molecole in modo che ruotino in modo quantistico, una situazione analoga alle molecole che si allineano e ruotano sia in senso orario che antiorario allo stesso tempo, utilizzando la radiazione a microonde.

"Quando raffreddi atomi o molecole a queste temperature estremamente basse, puoi controllarli con la luce", ha detto Cornish. "Puoi effettivamente usare i laser per spingere gli atomi e farli andare dove vuoi che vadano. Puoi anche usare i laser per intrappolarli o trattenerli, e questo ti dà un livello di precisione e controllo che normalmente non avresti." ."

Generalmente, la coerenza di questo comportamento rotatorio nelle molecole ultrafredde decade in un periodo di tempo molto breve. Prima d'ora, lo stato quantistico più lungo registrato di molecole rotanti misurava 1/20 di secondo. Il gruppo della Cornish, tuttavia, è stato ispirato dal lavoro teorico di Svetlana Kotochigova della Temple University che suggeriva che una certa lunghezza d'onda "magica" della luce potrebbe preservare la coerenza quantistica per un periodo di tempo più lungo.

"Il comportamento quantistico diventa più evidente quanto più freddo è il sistema e porta il comportamento quantistico su scale di lunghezza maggiori", ha affermato Jonathan Stepp, uno studente laureato del gruppo di Hazzard. "E avere i laser alla giusta lunghezza d'onda può 'intrappolare' le molecole, in modo che possano ruotare in sincronia, preservando la coerenza quantistica per un tempo più lungo."

Quando il gruppo ha applicato questa teoria in laboratorio come una nuova tecnica sperimentale, ha creato una “trappola magica” che ha mantenuto le molecole in rotazione in modo quantistico per un tempo significativamente più lungo. Sebbene Hazzard pensasse che questa trappola laser "magica" potesse aumentare la coerenza quantistica di due o tre volte, rimase scioccato nel vedere che manteneva le molecole in rotazione uniforme per quasi 1,5 secondi, un aumento di 30 volte.

"Anche se non sono sorpreso che abbia funzionato, sono decisamente sorpreso da quanto bene abbia funzionato", ha detto Hazzard.

Zewen Zhang, un altro studente laureato del gruppo di Hazzard, ha affermato che tempi di coerenza migliorati consentiranno agli scienziati di studiare questioni fondamentali sull'interazione della materia quantistica.

"Man mano che i tempi di coerenza si allungano, vengono svelati nuovi effetti", ha detto Zhang. "Possiamo iniziare l'esplorazione confrontando le misurazioni sperimentali con i nostri calcoli. Una migliore coerenza è anche un passo verso l'utilizzo di molecole ultrafredde come piattaforma per varie tecnologie quantistiche."

"Anche se il comportamento quantistico sembra una cosa molto esotica, in realtà è responsabile di cose che vediamo ogni giorno, da come i metalli conducono l'elettricità a come la fusione viene prodotta dal sole", ha aggiunto Hazzard, membro della Rice Quantum Initiative e l'Istituto Smalley-Curl. "Se vuoi realizzare nuovi materiali, nuovi sensori o altre tecnologie quantistiche, devi capire cosa sta succedendo a livello quantistico, e questa ricerca è un passo verso il raggiungimento di nuove conoscenze."

Ulteriori informazioni: Philip D. Gregory et al, Coerenza rotazionale di seconda scala e interazioni dipolari in un gas di molecole polari ultrafredde, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02328-5

Informazioni sul giornale: Fisica della Natura

Fornito dalla Rice University