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Le nanoparticelle “levitanti” potrebbero spingere i limiti dell’entanglement quantistico

Illustrazione di due nanoparticelle che interagiscono attraverso forze indotte dalla luce non reciproche.

Le particelle di vetro che fluttuano nei raggi laser possono essere fatte interagire (rappresentazione artistica).Credito fotografico: Equinox Graphics Ltd.

I fisici hanno sospeso minuscole sfere di vetro nel vuoto e hanno permesso loro di interagire tra loro da vicino. Le nanoparticelle “fluttuanti” sono state ora manipolate con sufficiente precisione per aprire nuovi modi di sondare l’enigmatica zona crepuscolare tra il mondo quotidiano e la contro-intuitiva fisica quantistica che governa gli oggetti a livello atomico.

“Questa è certamente una pietra miliare importante che apre nuove possibilità”, afferma Romain Quidant, un fisico che sta conducendo esperimenti simili presso l’Istituto federale di tecnologia (ETH) di Zurigo. I risultati sono stati pubblicati il ​​25 agosto Scienza1. Le particelle sospese nell’aria potrebbero un giorno fungere da piattaforma per computer quantistici o aprire la strada a dispositivi di misurazione altamente sensibili.

levitazione laser

Nell’ultimo decennio, i fisici hanno imparato varie tecniche per manipolare oggetti delle dimensioni di particelle virali – alcune centinaia di nanometri di diametro – nel vuoto, in particolare attraverso la leggera pressione della luce laser.

Nel 2020, Uroš Delić dell’Università di Vienna e i suoi collaboratori hanno sbalordito la comunità dei fisici quando hanno rallentato i centri di massa delle particelle fino a quello che i fisici chiamano lo stato fondamentale quantistico, come se le particelle fossero il più fredde possibile2. Il raggiungimento dello stato fondamentale è il primo passo per accedere e manipolare il comportamento quantistico che normalmente si ottiene solo a livello subatomico e richiede il raffreddamento degli oggetti vicino allo zero assoluto. Sebbene i loro centri di massa fossero allo stato fondamentale, le particelle erano comunque ancora calde, vibravano termicamente e auto-rotanti.

La fisica Lia Li ricorda l’entusiasmo della comunità quando il fisico dell’Università di Vienna Markus Aspelmeyer, l’autore principale di questo articolo, ha riferito dello stato fondamentale quantistico in una conferenza e successivamente ha pubblicato un preprint sul server arXiv. “La gente era sconvolta”, afferma Li, amministratore delegato della società di ingegneria Zero Point Motion a Bristol, nel Regno Unito. Una manciata di laboratori ha lottato per replicare i risultati e alcuni hanno avuto successo.

Alcuni fisici, tra cui Giorgio Gratta della Stanford University in California, stanno lavorando con particelle leggermente più grandi – un micron o più di diametro – che hanno una massa sufficiente per esercitare un’apprezzabile attrazione gravitazionale. “L’idea principale è cercare nuove interazioni su microscala o deviazioni dalla gravità newtoniana”, afferma.

Due per due

Nell’ultima pubblicazione, Delić, Aspelmeyer e i loro collaboratori hanno fatto il primo passo verso il giocoleria di più particelle sospese. Hanno fatto rimbalzare un laser su un pannello a cristalli liquidi in una camera a vuoto, che ha diviso il raggio in due. Successivamente, hanno iniettato nella camera sfere di vetro larghe 200 nanometri utilizzando un nebulizzatore a ultrasuoni, simile alle apparecchiature utilizzate per curare l’asma, fino a quando una nanosfera è stata intrappolata nel punto focale di ciascuno dei due raggi laser.

Questa tecnica di “levitazione ottica” funziona perché le rapide oscillazioni dei campi elettrici del laser inducono cariche elettriche che appaiono alle estremità opposte di ciascuna nanosfera alla stessa velocità, come i poli di una barra magnetica. Questa polarizzazione crea una forza che spinge le particelle verso le aree in cui la luce è più intensa, in questo caso verso il punto focale del raggio laser.

Poiché la polarizzazione cambia rapidamente avanti e indietro, si comporta come la corrente elettrica in un’antenna che emette onde elettromagnetiche, spiega il coautore Benjamin Stickler, fisico teorico dell’Università di Duisburg-Essen a Duisburg, in Germania. “Dato che hai una carica accelerata, vengono emesse radiazioni.” Regolando i pannelli a cristalli liquidi, i ricercatori sono stati in grado di avvicinare i due punti focali. A intervalli di pochi micrometri, le particelle hanno cominciato a sentire le onde l’una dell’altra e i ricercatori sono stati in grado di farle vibrare all’unisono, come masse collegate da una serie di molle.

Regolando il laser, il team è stato anche in grado di disattivare la forza che una particella esercitava sull’altra senza disattivare la forza opposta della seconda particella. Questo ha creato leggi “artificiali” della fisica che sembravano violare la terza legge di Isaac Newton – che per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria.

salto quantico

Stickler afferma che il prossimo compito sarà utilizzare la luce laser per raffreddare entrambe le particelle fino al loro stato fondamentale quantistico. A questo punto potrebbe diventare possibile mettere le particelle in uno stato di entanglement quantistico, nel senso che alcune delle loro proprietà misurabili – in questo caso le loro posizioni – sono più strettamente correlate delle leggi della fisica classica, non quantistica.

L’entanglement è un segno distintivo del comportamento quantistico che di solito viene osservato solo a livello subatomico. I fisici hanno discusso a lungo se gli oggetti macroscopici obbediscano alle proprie leggi o se gli effetti quantistici siano semplicemente troppo difficili da osservare a queste scale. Numerosi sforzi sperimentali stanno studiando questa domanda dimostrando il comportamento quantistico su scale sempre più grandi. L’anno scorso, due squadre hanno impigliato in modo indipendente coppie di tamburi su scala micrometrica – la prima volta che ciò è stato fatto per oggetti macroscopici.

Tuttavia, i ricercatori affermano che tali oggetti “pizzicati” hanno dei limiti: sono fisicamente collegati a un dispositivo, il che rende difficile impedire che gli stati quantistici sensibili vengano disturbati. Con questo in mente, Peter Zoller, un fisico teorico dell’Università di Innsbruck in Austria, e altri hanno pianificato per la prima volta di utilizzare nanoparticelle levitate per esperimenti quantistici nel 201035. “Si potrebbe immaginare che una nanoparticella sia un piccolo computer che può essere controllato e spostato con la luce laser”, afferma Zoller.

Un altro vantaggio della tecnica di levitazione è che dovrebbe funzionare altrettanto bene per catturare più di due particelle, aggiunge Stickler. Zoller è d’accordo. “È immediatamente scalabile a un numero molto più grande”, afferma.

Applicati a singoli atomi o ioni, la levitazione e il raffreddamento laser erano “come una salsa segreta nell’informatica quantistica”, afferma Zoller. Lo stesso potrebbe accadere con le nanoparticelle.

Gli astronomi potrebbero aver scoperto il primo “pianeta oceanico”.

L’astronomo Dan Self all’Osservatorio Astronomico di Breckland