Un "salto quantico" a temperatura ambiente

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Schema concettuale del sistema operativo. Crediti: EPFL e Second Bay Studios
Schema concettuale del sistema operativo. Crediti: EPFL e Second Bay Studios
Gli scienziati dell’EPFL hanno compiuto un importante passo avanti controllando i fenomeni quantistici a temperatura ambiente.

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 pi¨ facili da rilevare. Ma la necessitÓ di un freddo estremo Ŕ 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 Ŕ stata una sfida per decenni", afferma Tobias J. Kippenberg. "Il nostro lavoro sfrutta appieno le capacitÓ del microscopio di Heisenberg, che per lungo tempo Ŕ 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

Il problema principale della temperatura ambiente Ŕ il rumore termico, che disturba la delicata dinamica quantistica. Per attenuarlo, gli scienziati hanno utilizzato speciali specchi a cavitÓ che riflettono la luce in uno spazio limitato (la cavitÓ), "intrappolandola" in modo efficace e migliorando la sua interazione con gli elementi meccanici del sistema. Per ridurre il rumore termico, gli specchi presentano strutture periodiche simili a cristalli ("cristalli fonici").

Un altro elemento essenziale Ŕ un dispositivo a forma di tamburo di 4 mm chiamato oscillatore meccanico, che interagisce con la luce all’interno della cavitÓ. 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 Ŕ 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 pi¨ ampia comunitÓ 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 proprietÓ della luce, come l’intensitÓ 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 necessitÓ di temperature estremamente basse. Inizio della forma

Secondo il team, il funzionamento del sistema a temperatura ambiente consentirÓ 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".

Riferimenti

Guanhao Huang, Alberto Beccari, Nils J. Engelsen, Tobias J. Kippenberg. Ottomeccanica quantistica a temperatura ambiente con una cavitÓ a bassissimo rumore. Nature 14 febbraio 2024. DOI: 10.1038/s41586’023 -06997-3