Si potrebbe pensare che la pinzetta ottica - un raggio laser focalizzato che può intrappolare piccole particelle - ormai è vecchio cappello. Dopotutto, la pinzetta è stata inventata da Arthur Ashkin nel 1970. E quest'anno ha ricevuto il premio Nobel per questo - presumibilmente dopo che le sue principali implicazioni sono state realizzate nell'ultimo mezzo secolo.
Sorprendentemente, questo è tutt'altro che vero. La pinzetta ottica sta rivelando nuove capacità mentre aiuta gli scienziati a comprendere la meccanica quantistica, la teoria che spiega la natura in termini di particelle subatomiche.
Questa teoria ha portato ad alcune conclusioni strane e controintuitive. Uno di questi è che la meccanica quantistica consente l'esistenza di un singolo oggetto in due diversi stati di realtà allo stesso tempo. Ad esempio, la fisica quantistica consente a un corpo di trovarsi contemporaneamente in due diverse posizioni nello spazio - o sia morto che vivo, come nel famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger.
I due stati del gatto di Schrodinger: morto (a sinistra) e vivo (a destra). La fisica quantistica afferma che il gatto può esistere contemporaneamente in entrambi gli stati. (Rhoeo / Shutterstock.com) Il nome tecnico per questo fenomeno è sovrapposizione. Sono state osservate sovrapposizioni per piccoli oggetti come singoli atomi. Ma chiaramente, non vediamo mai una sovrapposizione nelle nostre vite quotidiane. Ad esempio, non vediamo una tazza di caffè in due posizioni contemporaneamente.
Per spiegare questa osservazione, i fisici teorici hanno suggerito che per oggetti di grandi dimensioni - anche per nanoparticelle contenenti circa un miliardo di atomi - le sovrapposizioni collassano rapidamente all'una o all'altra delle due possibilità, a causa di una rottura della meccanica quantistica standard. Per oggetti più grandi il tasso di collasso è più veloce. Per il gatto di Schrodinger, questo collasso - "vivo" o "morto" - sarebbe praticamente istantaneo, spiegando perché non vediamo mai la sovrapposizione di un gatto in due stati contemporaneamente.
Fino a poco tempo fa, queste "teorie del collasso", che avrebbero richiesto modifiche della meccanica quantistica dei libri di testo, non potevano essere testate, poiché è difficile preparare un grande oggetto in una sovrapposizione. Questo perché gli oggetti più grandi interagiscono più con l'ambiente circostante rispetto agli atomi o alle particelle subatomiche, il che porta a perdite di calore che distruggono gli stati quantistici.
Come fisici, siamo interessati alle teorie del collasso perché vorremmo capire meglio la fisica quantistica, e in particolare perché ci sono indicazioni teoriche che il collasso potrebbe essere dovuto a effetti gravitazionali. Una connessione tra la fisica quantistica e la gravità sarebbe eccitante da trovare, dal momento che tutta la fisica si basa su queste due teorie e la loro descrizione unificata - la cosiddetta Teoria di tutto - è uno dei grandi obiettivi della scienza moderna.
Inserisci la pinzetta ottica
Le pinzette ottiche sfruttano il fatto che la luce può esercitare pressione sulla materia. Sebbene la pressione di radiazione anche da un intenso raggio laser sia piuttosto piccola, Ashkin è stata la prima persona a dimostrare che era abbastanza grande da supportare una nanoparticella, contrastando la gravità, levitandola efficacemente.
Nel 2010 un gruppo di ricercatori ha capito che una tale nanoparticella trattenuta da una pinzetta ottica era ben isolata dal suo ambiente, poiché non era in contatto con alcun supporto materiale. Seguendo queste idee, diversi gruppi hanno suggerito modi per creare e osservare sovrapposizioni di una nanoparticella in due distinte posizioni spaziali.
Un intrigante schema proposto dai gruppi di Tongcang Li e Lu Ming Duan nel 2013 ha coinvolto un cristallo di nanodiamante in una pinzetta. La nanoparticella non si ferma all'interno della pinzetta. Piuttosto, oscilla come un pendolo tra due posizioni, con la forza di ripristino proveniente dalla pressione della radiazione dovuta al laser. Inoltre, questo nanocristallo di diamante contiene un atomo di azoto contaminante, che può essere pensato come un piccolo magnete, con un polo nord (N) e un polo sud (S).
La strategia Li-Duan consisteva in tre fasi. In primo luogo, hanno proposto di raffreddare il movimento della nanoparticella al suo stato fondamentale quantico. Questo è lo stato di energia più basso che può avere questo tipo di particella. Potremmo aspettarci che in questo stato la particella smetta di muoversi e non oscilli affatto. Tuttavia, se ciò accadesse, sapremmo dove si trovava la particella (al centro della pinzetta) e quanto velocemente si stava muovendo (per niente). Ma la perfetta conoscenza simultanea della posizione e della velocità non è consentita dal famoso principio di incertezza di Heisenberg della fisica quantistica. Pertanto, anche nel suo stato di energia più basso, la particella si muove un po 'intorno, quel tanto che basta per soddisfare le leggi della meccanica quantistica.
In secondo luogo, lo schema Li e Duan richiedeva la preparazione dell'atomo di azoto magnetico in una sovrapposizione del suo polo nord rivolto verso l'alto e verso il basso.
Infine, era necessario un campo magnetico per collegare l'atomo di azoto al movimento del cristallo di diamante levitato. Ciò trasferirebbe la sovrapposizione magnetica dell'atomo nella sovrapposizione di posizione del nanocristallo. Questo trasferimento è reso possibile dal fatto che l'atomo e la nanoparticella sono intrecciati dal campo magnetico. Si verifica nello stesso modo in cui la sovrapposizione del campione radioattivo in decomposizione e non in decomposizione viene convertita in sovrapposizione del gatto di Schrodinger in stati morti e vivi.
Dimostrare la teoria del collasso
Crollo della sovrapposizione in un'unica posizione. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Ciò che ha dato a questo lavoro teorico i denti sono stati due entusiasmanti sviluppi sperimentali. Già nel 2012 i gruppi di Lukas Novotny e Romain Quidant hanno dimostrato che era possibile raffreddare una nanoparticella otticamente levitata a un centesimo di grado sopra lo zero assoluto - la temperatura più bassa teoricamente possibile - modulando l'intensità della pinzetta ottica. L'effetto era lo stesso di quello di rallentare un bambino su un'altalena spingendo al momento giusto.
Nel 2016 gli stessi ricercatori sono stati in grado di raffreddarsi fino a un decimilionesimo di grado sopra lo zero assoluto. In questo periodo i nostri gruppi hanno pubblicato un documento che stabilisce che la temperatura richiesta per raggiungere lo stato fondamentale quantico di una nanoparticella pinzata era circa un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto. Questo requisito è impegnativo, ma alla portata di esperimenti in corso.
Il secondo entusiasmante sviluppo è stata la levitazione sperimentale di un nanodiamante che trasportava azoto nel 2014 nel gruppo di Nick Vamivakas. Usando un campo magnetico, sono stati anche in grado di ottenere l'accoppiamento fisico dell'atomo di azoto e il movimento cristallino richiesto dal terzo passo dello schema Li-Duan.
La corsa è ora in corso per raggiungere lo stato fondamentale in modo che - secondo il piano Li-Duan - si possa osservare un oggetto in due punti che collassa in una singola entità. Se le sovrapposizioni vengono distrutte al ritmo previsto dalle teorie del collasso, la meccanica quantistica come la conosciamo dovrà essere rivista.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Mishkat Bhattacharya, professore associato presso la School of Astronomy, Rochester Institute of Technology e Nick Vamivakas, professore associato di ottica quantistica e fisica quantistica, Università di Rochester
