Immagine: Schema concettuale del dispositivo operativo, che consiste in un tamburo caricato con nanopillari inserito tra due specchi con segmenti periodici, che consentono alla luce laser di interagire fortemente e meccanicamente con i quanti del tamburo a temperatura ambiente. Crediti: EPFL e Second Bay Studios
Nel campo della meccanica quantistica, l’osservazione e il controllo dei fenomeni quantistici a temperatura ambiente sono da tempo compiti complessi, soprattutto su larga scala o "macroscopici". In generale, queste osservazioni sono limitate ad ambienti vicini allo zero assoluto, dove gli effetti quantistici sono più facili da rilevare. Ma la necessità di un freddo estremo è un ostacolo importante, che limita le applicazioni pratiche delle tecnologie quantistiche.
Oggi, uno studio guidato da Tobias J. Kippenberg e Nils Johan Engelsen dell’EPFL sta ridefinendo i limiti del possibile. Il loro lavoro pionieristico combina la fisica quantistica e l’ingegneria meccanica per controllare i fenomeni quantistici a temperatura ambiente.
"Raggiungere il regime dell’optomeccanica quantistica a temperatura ambiente è stata una sfida per decenni", afferma Tobias J. Kippenberg. "Il nostro lavoro sfrutta appieno le capacità del microscopio di Heisenberg, che per lungo tempo è stato considerato un semplice giocattolo teorico".
Nel loro set-up sperimentale, descritto nella rivista Nature, i ricercatori hanno creato un sistema optomeccanico a bassissimo rumore. In questa installazione, la luce e il movimento meccanico sono interconnessi, consentendo di studiare e manipolare con grande precisione l’influenza della luce sugli oggetti in movimento.
Questi sistemi sono utili per l’informazione quantistica e ci aiutano a capire come creare stati quantistici grandi e complessi.
Alberto Beccari, uno dei due dottorandi che hanno guidato lo studio
Un altro elemento essenziale è un dispositivo a forma di tamburo di 4 mm chiamato oscillatore meccanico, che interagisce con la luce all’interno della cavità. Le sue dimensioni relativamente grandi e il suo design sono essenziali per isolarlo dal rumore ambientale, consentendo di rilevare sottili fenomeni quantistici a temperatura ambiente. "Il tamburo che stiamo usando in questo esperimento è il culmine di molti anni di sforzi per creare oscillatori meccanici ben isolati dall’ambiente", spiega Nils Johan Engelsen.
"Le tecniche che abbiamo utilizzato per gestire sorgenti di rumore note e complesse sono di grande rilevanza e impatto per la più ampia comunità di rilevamento e misurazione di precisione", spiega Guanhao Huang, uno dei due dottorandi a capo del progetto.
Questa installazione ha permesso ai ricercatori di effettuare una "compressione ottica". Si tratta di un fenomeno quantistico in cui alcune proprietà della luce, come l’intensità o la fase, vengono manipolate per ridurre le fluttuazioni di una variabile a scapito dell’aumento delle fluttuazioni di un’altra, secondo il principio di Heisenberg.
Dimostrando la compressione 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 della forma
Secondo il team, il funzionamento del sistema a temperatura ambiente consentirà di ampliare l’accesso ai sistemi optomeccanici quantistici, che sono banchi di prova consolidati per la meccanica quantistica macroscopica e le misurazioni.
"Il sistema che abbiamo sviluppato potrebbe facilitare la creazione di sistemi quantistici ibridi in cui il tamburo meccanico interagisce fortemente con oggetti diversi, come nuvole di atomi intrappolati", aggiunge Alberto Beccari, l’altro dottorando a capo dello studio. "Questi sistemi sono utili per l’informazione quantistica e ci aiutano a capire come creare stati quantistici grandi e complessi".
