La pinzetta ottica Nobel scopre nuovi indizi su come funziona l'universo

Si potrebbe pensare che la pinzetta ottica - un raggio laser focalizzato in grado di intrappolare piccole particelle - sia ormai un vecchio cappello. Dopo tutto, la pinzetta è stata inventata da Arthur Ashkin nel 1970. E ha ricevuto il premio Nobel per quest'anno, presumibilmente dopo che le sue principali implicazioni erano state realizzate durante l'ultimo mezzo secolo.

Sorprendentemente, questo è lontano dal vero. La pinzetta ottica sta rivelando nuove capacità mentre aiuta gli scienziati a capire la meccanica quantistica, la teoria che spiega la natura in termini di particelle subatomiche.

Questa teoria ha portato a conclusioni bizzarre e controintuitive. Uno di questi è che la meccanica quantistica consente a un singolo oggetto di esistere in due diversi stati della realtà allo stesso tempo. Ad esempio, la fisica quantistica consente a un corpo di trovarsi simultaneamente in due diverse posizioni nello spazio - o sia vivo che morto, come nel famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger.

Il nome tecnico di questo fenomeno è la sovrapposizione. Sono state osservate delle sovrapposizioni per oggetti piccoli come i singoli atomi. Ma chiaramente, non vediamo mai una sovrapposizione nella nostra vita quotidiana. Ad esempio, non vediamo una tazza di caffè in due posizioni allo stesso tempo.

Per spiegare questa osservazione, i fisici teorici hanno suggerito che per oggetti di grandi dimensioni - anche per le 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 la velocità di collasso è più veloce. Per il gatto di Schrodinger, questo collasso - a "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 richiederebbero modifiche della meccanica quantistica da manuale, non potevano essere testate, poiché è difficile preparare un oggetto di grandi dimensioni in una sovrapposizione. Questo perché gli oggetti più grandi interagiscono maggiormente con l'ambiente circostante rispetto agli atomi o alle particelle subatomiche - il che porta a perdite di calore che distruggono gli stati quantici.

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 poiché tutta la fisica si basa su queste due teorie e la loro descrizione unificata - la cosiddetta Teoria del 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 delle radiazioni da un raggio laser intenso sia abbastanza piccola, Ashkin è stata la prima persona a dimostrare che era abbastanza grande da supportare una nanoparticella, contrastando la gravità, facendola effettivamente levitare.

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 le sovrapposizioni di una nanoparticella in due posizioni spaziali distinte.

Uno schema intrigante proposto dai gruppi di Tongcang Li e Lu Ming Duan nel 2013 ha coinvolto un cristallo di nanodiamond in una pinzetta. La nanoparticella non rimane 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 passaggi. Innanzitutto, hanno proposto di raffreddare il moto della nanoparticella al suo stato fondamentale quantico. Questo è lo stato di energia più basso di questo tipo di particelle. 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 muoveva (non del tutto). Ma la conoscenza perfetta simultanea di posizione e velocità non è consentita dal famoso principio di indeterminazione di Heisenberg della fisica quantistica. Quindi, anche nel suo stato di energia più bassa, la particella si muove un po ', abbastanza da soddisfare le leggi della meccanica quantistica.

In secondo luogo, lo schema Li e Duan richiedeva che l'atomo di azoto magnetico fosse preparato in una sovrapposizione del polo nord sia rivolto verso l'alto che verso il basso.

Infine, era necessario un campo magnetico per collegare l'atomo di azoto al moto del cristallo di diamante levitato. Ciò trasferirà la sovrapposizione magnetica dell'atomo alla sovrapposizione della posizione del nanocristallo. Questo trasferimento è reso possibile dal fatto che l'atomo e la nanoparticella sono intrappolati dal campo magnetico. Si verifica nello stesso modo in cui la sovrapposizione del campione radioattivo decaduto e non decaduto viene convertita nella sovrapposizione del gatto di Schrodinger in stati vivi e morti.

Dimostrando la teoria del collasso

Ciò che ha dato a questi denti di lavoro teorici sono stati due eccitanti sviluppi sperimentali. Già nel 2012 i gruppi di Lukas Novotny e Romain Quidant hanno dimostrato che era possibile raffreddare una nanoparticella otticamente levitata ad 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 riusciti a raffreddare fino a un decimillesimo di grado sopra lo zero assoluto. In questo periodo i nostri gruppi hanno pubblicato un documento in cui si afferma che la temperatura richiesta per raggiungere lo stato fondamentale di una nanoparticella a pinzette 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 stato la levitazione sperimentale di un nanodiamond che trasportava l'azoto nel 2014 nel gruppo di Nick Vamivakas. Usando un campo magnetico, erano anche in grado di ottenere l'accoppiamento fisico dell'atomo di azoto e il movimento cristallino richiesto dalla terza fase dello schema Li-Duan.

La razza è ora in procinto di raggiungere lo stato fondamentale in modo che, secondo il piano Li-Duan, si possa osservare un oggetto in due posizioni 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 di Mishkat Bhattacharya e Nick Vamivakas. Leggi l'articolo originale qui.