nuova svolta nella fisica quantistica

La fisica quantistica, che esplora i misteri delle particelle su scala atomica, ha appena registrato progressi spettacolari. I ricercatori dell’Università di Tecnologia di Delft, nei Paesi Bassi, sono infatti riusciti ad avviare un movimento controllato nel cuore di un atomo, un’impresa che potrebbe trasformare il modo in cui immagazziniamo e manipoliamo le informazioni quantistiche.

Cos’è la fisica quantistica e perché è importante?

IL fisica quantistica è una branca della scienza che studia il comportamento delle particelle subatomiche, come atomi ed elettroni, su scale estremamente piccole. A differenza delle leggi della fisica classica che governano gli oggetti di tutti i giorni, le regole quantistiche lo sono spesso controintuitivo. Descrivono come queste particelle possono comportarsi in modi imprevedibili e come interagiscono tra loro in modi che sfidano la nostra consueta comprensione della realtà.

L’importanza della fisica quantistica risiede nella sua potenziali applicazioni rivoluzionarie. Ad esempio, è la base di tecnologie come laser e transistor che hanno trasformato il nostro mondo moderno. Tuttavia, le sue applicazioni più promettenti riguardano le tecnologie emergenti come l’informatica quantistica e i sistemi di comunicazione quantistica, che potrebbero offrire potenza di calcolo e livelli di sicurezza senza precedenti.

Nonostante queste promesse, la fisica quantistica rimane complessa. In particolare, i ricercatori stanno ancora cercando di capire come le particelle interagiscono su scala atomica. È proprio in questo contesto che i ricercatori di Delft hanno compiuto un’impresa notevole: manipolare un atomo in modo controllato.

Cos’è un atomo e come lo hanno manipolato i ricercatori?

E atomo è l’unità fondamentale della materia, composta da un nucleo centrale, formato da protoni e neutroni, attorno al quale orbitano gli elettroni. Questi elettroni si muovono in strati definiti attorno al nucleo e la loro organizzazione determina le proprietà chimiche e fisiche dell’atomo.

In questo studio, i ricercatori hanno lavorato un particolare atomo di titanio: Ti-47. Ha un neutrone in meno rispetto al comune titanio (Ti-48), il che rende il suo nucleo leggermente magnetico. Questa proprietà, chiamata spin, può essere paragonata ad una piccola bussola interna capace di puntare in diverse direzioni.

L’obiettivo dei ricercatori era quello di manipolare lo spin del nucleo influenzando quello di uno degli elettroni esterni dell’atomo. Poiché lo spin del nucleo e quello dell’elettrone sono debolmente accoppiati, l’idea era di controllare prima l’elettrone e poi influenzare il nucleo.

Per raggiungere questo obiettivo, hanno utilizzato un microscopio a effetto tunnel, una tecnologia che consente di sondare e manipolare gli atomi con estrema precisione. Usando questo microscopio, sono stati in grado di interagire con l’elettrone esterno del Ti-47. Applicando impulsi di tensione accuratamente calibrati, hanno interrotto lo stato di equilibrio di questo elettrone e hanno innescato una reazione a catena. Questo processo ha permesso all’elettrone di trasmettere la sua influenza al nucleooperazione delicata a causa della debolissima interazione tra i loro spin.

I ricercatori sono riusciti in questa manipolazione grazie ad un campo magnetico regolato molto debolmente. Hanno osservato che una volta applicato l’impulso di tensione, lo spin dell’elettrone si è spostato, facendo oscillare insieme gli spin dell’elettrone e del nucleo per una frazione di microsecondo. Questo fenomeno corrispondeva alle previsioni di Erwin Schrödinger e conferma che le leggi quantistiche si applicano con grande precisione anche su scala atomica.

Perché è importante?

Questo scoperta ha profonde implicazioni per la ricerca sulla fisica quantistica. Innanzitutto dimostra che è possibile controllare e leggere informazioni quantistiche su scala estremamente piccola sfruttando lo spin dei nuclei atomici. Il nucleo è meno influenzato dai disturbi esterni rispetto agli elettroni, il che lo rende un candidato ideale per immagazzinare informazioni quantistiche più stabili.

Le potenziali applicazioni sono vaste. Ad esempio, questo progresso potrebbe portare allo sviluppo di nuove tecnologie di calcolo quantistico in cui i qubit (unità di informazione quantistica) potrebbero essere archiviati nei nuclei atomici, fornendo una migliore stabilità e una maggiore capacità di elaborazione delle informazioni. Inoltre, questa ricerca potrebbe influenzare la termodinamica quantistica, un campo emergente che esamina le leggi della termodinamica su scala quantistica.

In breve, questa ricerca rappresenta un importante progresso che potrebbe trasformare il nostro approccio alla fisica quantistica.