La scienza ha fatto un passo avanti notevole nella comprensione del comportamento degli atomi in condizioni estreme. Un team di ricercatori ha utilizzato una tecnica laser avanzata per avvicinare coppie di atomi magnetici ultrafreddi a una distanza di 50 nanometri l’uno dall’altro, una distanza 10 volte più ridotta rispetto ai precedenti esperimenti. Questo straordinario risultato ha permesso di osservare effetti quantistici mai visti prima, aprendo nuove strade per lo sviluppo di superconduttori e computer quantistici.
Studiare le interazioni quantistiche
L’innovativa ricerca, pubblicata il 2 maggio sulla rivista Science, ha dimostrato che avvicinando gli atomi a distanze estremamente ravvicinate, è possibile studiare le interazioni quantistiche su scale di lunghezza finora inaccessibili. “Nel regime dei nanokelvin, c’è un tipo di materia chiamata condensato di Bose-Einstein [in cui] tutte le particelle si comportano come onde,” ha spiegato Li Du, fisico del MIT e autore principale dello studio. “Sono fondamentalmente oggetti quantomeccanici.”
A temperature ultrafredde, quando gli atomi sono costretti ad occupare il loro stato energetico più basso possibile, emergono comportamenti quantistici insoliti. Questo studio ha avvicinato due strati di atomi di disprosio magnetici a soli 50 nanometri l’uno dall’altro, consentendo di aumentare la forza di interazione di 1.000 volte rispetto ai livelli precedenti. Questa nuova configurazione ha rivelato fenomeni quantistici sorprendenti, inclusi trasferimenti di calore apparentemente impossibili attraverso lo spazio vuoto.
Intrappolare gli atomi
“Negli esperimenti ordinari, intrappoliamo gli atomi con la luce, e questo è limitato dal limite di diffrazione, nell’ordine di 500 nanometri,” ha detto Du. Utilizzando un raggio laser focalizzato attraverso una lente, i ricercatori possono creare un “punto focale gaussiano“, un pozzo di energia all’interno del raggio laser che intrappola particolari atomi in posizione. Questa è nota come pinzetta ottica, ma la dimensione della pinzetta è limitata dalla lunghezza d’onda della luce laser. Per superare questo limite, il team di Du ha sfruttato una proprietà quantistica degli atomi di disprosio: il loro spin.
“Se l’atomo A non vede la luce B e l’atomo B non vede la luce A, sostanzialmente hanno un controllo indipendente,” ha spiegato Du. “Poiché gli atomi si trovano sempre esattamente al centro del fascio gaussiano, è possibile spostare [le due diverse particelle intrappolate] arbitrariamente vicino.” Grazie a questa tecnica, i ricercatori sono riusciti a controllare due pinzette ottiche separate, portando gli atomi di disprosio spin-up e spin-down a una distanza massima di 50 nanometri l’uno dall’altro.
Effetti bizzarri
Una volta stabilito questo doppio strato, il team ha iniziato una serie di esperimenti per studiare le interazioni quantistiche a distanza ravvicinata. Hanno riscaldato uno degli strati di disprosio, completamente separato dall’altro da uno spazio di vuoto. Incredibilmente, hanno osservato il trasferimento di calore al secondo strato attraverso lo spazio vuoto. “In genere, è necessario il contatto o la radiazione per trasferire il calore, cosa che non abbiamo qui,” ha detto Du. “Ma vediamo ancora il trasferimento di calore, e questo deve essere dovuto alle interazioni dipolo-dipolo a lungo raggio.”
Il trasferimento di calore attraverso lo spazio vuoto era solo uno degli effetti bizzarri studiati dal team. Ora, i ricercatori sono ansiosi di esplorare ulteriormente il potenziale delle interazioni quantistiche sugli atomi. Stanno già iniziando a studiare come questi doppi strati interagiscono con la luce. Ma Du è particolarmente interessato a un altro effetto quantistico, chiamato accoppiamento Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), uno stato quantistico sperimentato da alcune particelle subatomiche chiamate fermioni a basse temperature.
“L’accoppiamento BCS tra gli strati è molto importante per la superconduttività,” ha affermato. “Diversi anni fa, un articolo teorico predisse che se avessimo questo tipo di sistema a doppio strato, accoppiato da interazioni dipolo-dipolo a lungo raggio, si potrebbe formare una coppia BCS. In precedenza non eravamo in grado di vederlo sperimentalmente, ma ora potrebbe essere possibile con il nostro sistema.”
Questo passo avanti nella comprensione delle interazioni quantistiche a distanze ravvicinate potrebbe rivoluzionare il campo della fisica quantistica e aprire nuove opportunità per applicazioni tecnologiche avanzate, tra cui la superconduttività e il calcolo quantistico.
