Una sfera di vetro di un centinaio di nanometri di diametro (punto verde al centro dell'immagine) viene fatta librare da un raggio laser ben focalizzato. Credito:ETH Zurigo
I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno intrappolato una minuscola sfera di cento nanometri utilizzando la luce laser e ne hanno rallentato il movimento fino allo stato quantomeccanico più basso. Questa tecnica potrebbe aiutare i ricercatori a studiare gli effetti quantistici in oggetti macroscopici e costruire sensori estremamente sensibili.
Perché gli atomi o le particelle elementari possono comportarsi come onde secondo la fisica quantistica, che permette loro di essere in più posti contemporaneamente? E perché tutto ciò che vediamo intorno a noi ovviamente obbedisce alle leggi della fisica classica, dove un tale fenomeno è impossibile? Negli ultimi anni, i ricercatori hanno convinto oggetti sempre più grandi a comportarsi in modo quantistico. Una conseguenza di ciò è che, quando si passa attraverso una doppia fessura, questi oggetti formano uno schema di interferenza caratteristico delle onde.
Fino ad ora, questo potrebbe essere ottenuto con molecole costituite da poche migliaia di atomi. Però, i fisici sperano un giorno di poter osservare tali effetti quantistici con oggetti propriamente macroscopici. Lukas Novotny, professore di fotonica, e i suoi collaboratori presso il Dipartimento di informatica e ingegneria elettrica dell'ETH di Zurigo hanno ora compiuto un passo cruciale in quella direzione. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Natura .
Nanosfera in bilico
L'oggetto macroscopico nel laboratorio di Novotny è una minuscola sfera di vetro. Sebbene abbia solo un centinaio di nanometri di diametro, consiste di ben 10 milioni di atomi. Utilizzando un raggio laser ben focalizzato, la sfera viene fatta librare in una trappola ottica all'interno di un contenitore sottovuoto raffreddato a 269 gradi sotto zero. Più bassa è la temperatura, minore è il moto termico.
"Però, per vedere chiaramente gli effetti quantistici la nanosfera deve essere rallentata ancora di più, fino al suo stato fondamentale di movimento, " spiega Felix Tebbenjohanns, un postdoc nel laboratorio di Novotny. Le oscillazioni della sfera, e quindi la sua energia motrice, sono ridotti al punto in cui la relazione di incertezza della meccanica quantistica impedisce un'ulteriore riduzione. "Ciò significa che congeliamo l'energia di movimento della sfera a un minimo che è vicino al movimento di punto zero della meccanica quantistica, "dice Tebbenjohanns.
Una nanosfera viene fatta librare dalla luce laser focalizzata (a). La luce laser agisce come una trappola in cui la sfera può oscillare avanti e indietro (b). I campi elettrici sono usati per rallentare quel movimento. Credito:ETH Zurigo
Misurare e rallentare
Per realizzare questo, i ricercatori usano un metodo noto per rallentare un'altalena da parco giochi:la giusta quantità di spinta o trazione nella giusta direzione, a seconda di dove si trova lo swing. Con un'altalena, dare una buona occhiata e agire di conseguenza farà il trucco. Nel caso di una nanosfera, però, è necessaria una misurazione più precisa. Questa misura consiste nel sovrapporre la luce riflessa dalla sfera su un altro raggio laser, che si traduce in uno schema di interferenza. Dalla posizione di tale schema di interferenza è possibile dedurre dove si trova la sfera all'interno della trappola laser. Quell'informazione, a sua volta, viene utilizzato per calcolare la forza con cui la sfera deve essere spinta o tirata per rallentarla. Il rallentamento stesso è fatto da due elettrodi, il cui campo elettrico esercita una forza coulombiana precisamente determinata sulla nanosfera caricata elettricamente.
Primo controllo quantistico nello spazio libero
"Questa è la prima volta che un tale metodo è stato utilizzato per controllare lo stato quantistico di un oggetto macroscopico nello spazio libero, " dice Novotny. Anche se risultati simili sono stati ottenuti con le sfere nei risonatori ottici, L'approccio di Novotny ha importanti vantaggi:è meno suscettibile ai disturbi, e spegnendo la luce laser si può, se richiesto, esaminare la sfera in completo isolamento.
Un tale esame isolato diventa particolarmente rilevante quando si tenta di eseguire effettivamente esperimenti di interferenza, come quelle osservate con le onde luminose, con la nanosfera. Questo perché per vedere gli effetti di interferenza, l'onda quantomeccanica della sfera deve essere sufficientemente grande. Un modo per ottenere ciò è spegnere la trappola laser dopo aver raffreddato la sfera al suo stato fondamentale di movimento, che consente alla sua onda quantistica di espandersi liberamente. Diverse parti dell'onda possono quindi cadere attraverso una doppia fenditura. Come per le molecole, anche in questo caso ci si aspetta che la sovrapposizione delle onde di materia determini un caratteristico pattern di interferenza.
Possibili applicazioni nei sensori
"Per adesso, però, questo è solo un sogno irrealizzabile, "Novotny mette in guardia. Tuttavia, menziona anche che le nanosfere in bilico sono di interesse non solo per la ricerca di base, ma può anche avere applicazioni pratiche. Oggigiorno esistono già sensori in grado di misurare le più piccole accelerazioni o rotazioni utilizzando onde atomiche interferenti. Poiché la sensibilità di tali sensori aumenta all'aumentare della massa dell'oggetto che interferisce meccanicamente quantisticamente, i sensori potrebbero essere immensamente migliorati con le nanosfere.
