Una performance davvero magica fa levitare una nanoparticella che si avvicina al suo stato quantico fondamentale
Nel corso della storia, per effettuare misurazioni di alta precisione sono stati utilizzati gli oscillatori meccanici. Alcuni dei più grandi miglioramenti nella precisione degli orologi a pendolo e degli orologi da polso si basano sulla relativamente semplice meccanica classica dei pendoli e delle molle, con un’estremità fissata a un oggetto immobile e l’altra a un oggetto mobile. Ora, con il finanziamento dell’UE ottenuto grazie a una sovvenzione del Consiglio europeo della ricerca (CER), il progetto QnanoMECA ha liberato la potenza degli oscillatori nanomeccanici quantistici per indagare il complesso mondo quantistico con un oggetto mobile libero, una nanoparticella. Facendola levitare con la forza della luce, il team ha aperto una nuova finestra sul rilevamento di forze ultra-piccole e sul portare grandi oggetti (in termini quantistici) nel regime quantistico.
Nanoparticelle sotto ai riflettori (laser)
Il beneficiario del CER e ricercatore principale, Romain Quidant, spiega: «È possibile far levitare e intrappolare nanoparticelle usando le minuscole forze che ogni fotone di un raggio laser esercita sulla materia nel suo percorso. Questa trappola ottica, nota come pinzetta ottica, è valsa ad https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4085 (Arthur Ashkin il premio Nobel per la fisica 2018)». Uno dei principali vantaggi degli oscillatori meccanici non bloccati, le pinzette ottiche, è l’estremo isolamento dall’ambiente. Questo permette una risonanza meccanica a frequenze molto ben definite paragonabili a note molto pure sulla corda di una chitarra. A sua volta, questa purezza unica della risonanza apre le porte alla possibilità di portare le nanoparticelle nel regime quantistico riducendone l’energia meccanica («raffreddando» l’oscillatore) a meno di un quanto meccanico (lo stato quantico fondamentale). Inoltre, questa risonanza tanto pura trasforma la nanoparticella oscillante in un sensore altamente sensibile del suo ambiente. «Sappiamo che i blocchi elementari della materia come gli atomi e gli ioni sono quantici e obbediscono alle leggi della meccanica quantistica», osserva Quidant. «La situazione è meno chiara per i grandi e densi insiemi di atomi come le nanoparticelle levitate. Grazie alla nostra piattaforma siamo in grado di esplorare questo regime sconosciuto, osservando effetti fisici molto deboli, prima impossibili da misurare direttamente».
Sfruttare il potenziale sproporzionato della levitazione di oggetti minuscoli
Negli ultimi 5 anni, QnanoMECA ha sviluppato diversi approcci sperimentali per far levitare e raffreddare le nanoparticelle per portarle nel regime quantistico. In un lavoro pionieristico in collaborazione con Lukas Novotny, beneficiario del CER per il progetto QMES, il team ha ridotto l’energia meccanica dell’oscillatore a decine di fononi da circa 50 milioni e prevede di raggiungere il regime quantistico a singolo fotone prima della fine del progetto nel 2020. Grazie alla ricerca condotta nell’ambito del progetto QnanoMECA è stato inoltre possibile compiere importanti passi scientifici e tecnologici verso il rilevamento di forze ultra-deboli che potranno contribuire, negli anni a venire, a una nuova generazione di sensori meccanici di fascia alta per la navigazione e la sismologia. L’optomeccanica della levitazione è un campo relativamente nuovo ma in crescita, che conta oggi più di 30 gruppi in tutto il mondo. Quidant sostiene: «Il progetto ci ha posizionati tra i leader mondiali dell’optomeccanica della levitazione. Ci sono molte domande senza risposta e teorie non testate. La nostra grande emozione nasce dalla possibilità che il nostro lavoro si rivolga ad alcune di queste frontiere».
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