I fisici dell'Università di Basilea hanno sviluppato una nuova tecnica di raffreddamento per i sistemi quantistici meccanici. Utilizzando un gas atomico ultrafreddo, le vibrazioni di una membrana sono state raffreddate a meno di 1 grado sopra lo zero assoluto. Questa tecnica può consentire nuovi studi di fisica quantistica e dispositivi di misurazione di precisione, come riportano i ricercatori sulla rivista Nanotecnologia della natura .

I gas atomici ultrafreddi sono tra gli oggetti più freddi esistenti. I raggi laser possono essere usati per intrappolare gli atomi all'interno di una camera a vuoto e rallentare il loro movimento fino a farlo avanzare, raggiungendo temperature inferiori a 1 milionesimo di grado sopra lo zero assoluto - la temperatura alla quale si ferma tutto il movimento. A temperature così basse, gli atomi obbediscono alle leggi della fisica quantistica:si muovono come piccoli pacchetti d'onda e possono trovarsi in una sovrapposizione di essere in più luoghi contemporaneamente. Queste caratteristiche sono sfruttate in tecnologie come orologi atomici e altri dispositivi di misurazione di precisione.

Un frigorifero atomico ultrafreddo

Questi gas ultrafreddi possono essere utilizzati anche come refrigeranti, raffreddare altri oggetti a temperature molto basse? Ciò aprirebbe molte possibilità per lo studio della fisica quantistica in sistemi nuovi e potenzialmente più grandi. Il problema è che gli atomi sono microscopicamente piccoli e anche le nuvole più grandi prodotte finora, che consistono di diversi miliardi di atomi ultrafreddi, contengono ancora molte meno particelle di qualcosa di piccolo come un granello di sabbia. Di conseguenza, il potere di raffreddamento degli atomi è limitato.

Un team di ricercatori dell'Università di Basilea guidato dal professor Philipp Treutlein è ora riuscito a utilizzare atomi ultrafreddi per raffreddare le vibrazioni di una membrana di dimensioni millimetriche. La membrana, un film di nitruro di silicio di 50 nm di spessore, oscilla su e giù come una piccola pelle quadrata. Tali oscillatori meccanici non sono mai completamente a riposo ma mostrano vibrazioni termiche che dipendono dalla loro temperatura. Sebbene la membrana contenga circa un miliardo di volte più particelle della nube atomica, è stato osservato un forte effetto di raffreddamento, che ha raffreddato le vibrazioni della membrana a meno di 1 grado sopra lo zero assoluto.

"Il trucco qui è concentrare l'intero potere di raffreddamento degli atomi sulla modalità vibrazionale desiderata della membrana, " spiega il dott. Andreas Jöckel, un membro del team di progetto. L'interazione tra atomi e membrana è generata da un raggio laser. Come spiega il fisico:"La luce laser esercita delle forze sulla membrana e sugli atomi. La vibrazione della membrana modifica la forza della luce sugli atomi e viceversa". Il laser trasmette l'effetto di raffreddamento su distanze di diversi metri, quindi la nuvola atomica non deve essere a diretto contatto con la membrana. L'accoppiamento è amplificato da un risonatore ottico costituito da due specchi, tra cui è inserita la membrana.

Il primo esperimento del genere al mondo

Sono già stati proposti teoricamente sistemi che utilizzano la luce per accoppiare atomi ultrafreddi e oscillatori meccanici. L'esperimento dell'Università di Basilea è il primo al mondo a realizzare un sistema del genere e ad usarlo per raffreddare l'oscillatore. Ulteriori miglioramenti tecnici dovrebbero consentire di raffreddare le vibrazioni della membrana allo stato fondamentale quantomeccanico.

Per i ricercatori, raffreddare la membrana con gli atomi è solo il primo passo:"La natura quantistica ben controllata degli atomi combinata con l'interazione indotta dalla luce sta aprendo nuove possibilità per il controllo quantistico della membrana, " dice Treutlein. Ciò potrebbe consentire esperimenti fondamentali di fisica quantistica con un sistema meccanico relativamente macroscopico, visibile ad occhio nudo. Potrebbe anche essere possibile generare i cosiddetti stati entangled tra atomi e membrana. Questi permetterebbero la misurazione delle vibrazioni della membrana con una precisione senza precedenti, che a sua volta potrebbe consentire lo sviluppo di nuovi tipi di sensori per piccole forze e masse.