Credits: Credit: A. Mazumdar, University of Groningen

Introduzione

Un gruppo di fisici teorici, tra cui due fisici dell’Università di Groningen, hanno proposto un dispositivo “da tavolo” in grado di misurare le onde di gravità. Tuttavia, il loro obiettivo reale è quello di rispondere a una delle più grandi domande della fisica: la gravità è un fenomeno quantistico? L’elemento chiave del dispositivo è la sovrapposizione quantistica di grandi oggetti.

Il loro progetto è stato pubblicato sul New Journal of Physics il 6 agosto.

Già in fase di prestampa, il documento scritto da Ryan J. Marshman, Peter F. Barker e Sougato Bose (University College London, UK), Gavin W. Morley (University of Warwick, UK) e Anupam Mazumdar e Steven Hoekstra (University of Groningen, Olanda) è stato accolto come un nuovo metodo per misurare le onde di gravità. Invece degli attuali rivelatori LIGO e VIRGO, i fisici che lavorano nel Regno Unito e nei Paesi Bassi hanno proposto un rivelatore da tavolo. Questo dispositivo sarebbe sensibile alle frequenze più basse rispetto ai rivelatori di corrente e sarebbe facile da puntare verso specifiche parti del cielo – al contrario, i rivelatori di corrente vedono solo una parte fissa.

Diamante

La parte fondamentale del dispositivo è un piccolo diamante, di pochi nanometri. “In questo diamante, uno dei carboni è sostituito da un atomo di azoto“, spiega l’assistente professore Anupam Mazumdar. Questo atomo introduce uno spazio libero nella banda di valenza, che può essere riempito con un elettrone in più. La teoria quantistica dice che quando l’elettrone viene irradiato con la luce laser, può assorbire o meno l’energia fotonica. L’assorbimento dell’energia altererebbe lo spin dell’elettrone, un momento magnetico che può essere verso l’alto o verso il basso.

Anupam Mazumdar | Photo RUG

Proprio come il gatto di Schrödinger, che è morto e vivo allo stesso tempo, questo spin dell’elettrone assorbe e non assorbe l’energia fotonica, così che il suo spin è sia in alto che in basso“. Questo fenomeno è chiamato sovrapposizione quantistica. Poiché l’elettrone è parte del diamante, l’intero oggetto – con una massa di circa 10-17 chilogrammi, che è enorme per i fenomeni quantistici – è in sovrapposizione quantistica.

Abbiamo un diamante che ha una rotazione verso l’alto e verso il basso allo stesso tempo”, spiega Mazumdar. Applicando un campo magnetico, è possibile separare i due stati quantistici. Quando questi stati quantistici vengono riuniti di nuovo insieme, spegnendo il campo magnetico, si crea un modello di interferenza. “La natura di questa interferenza dipende dalla distanza che i due stati quantici separati hanno percorso. E questo può essere usato per misurare le onde di gravità“. Queste onde sono contrazioni dello spazio, in modo che il loro passaggio influisce sulla distanza tra i due stati separati e quindi sul modello di interferenza.

Collegamento mancante

Il documento dimostra che questa configurazione potrebbe effettivamente rilevare le onde di gravità. Ma questo non è ciò che interessa veramente a Mazumdar e ai suoi colleghi. Un sistema in cui possiamo ottenere la sovrapposizione quantistica di un oggetto mesoscopico come il diamante, e per un ragionevole periodo di tempo, sarebbe una vera svolta“, dice Mazumdar. “Permetterebbe di effettuare tutti i tipi di misurazioni, e una di queste potrebbe essere usata per determinare se la gravità stessa è un fenomeno quantistico“. La gravità quantistica è l'”anello mancante” della fisica da quasi un secolo.

In un articolo pubblicato nel 2017 (1), Mazumdar e il suo collaboratore di lunga data Sougato Bose, insieme a diversi colleghi, hanno suggerito che l’intreccio tra due oggetti mesoscopici potrebbe essere utilizzato per scoprire se la gravità stessa è un fenomeno quantistico. In parole povere: l’entanglement è un fenomeno quantistico, quindi quando due oggetti che interagiscono solo attraverso la gravità mostrano entanglement, questo dimostra che la gravità è un fenomeno quantistico.

Credits:  R. Marshman et al

Tecnologia

Nel nostro ultimo articolo, descriviamo come creare una sovrapposizione quantistica mesoscopica. Con due di questi sistemi, siamo stati in grado di mostrare l’intreccio“. Tuttavia, come hanno notato durante il loro lavoro, il singolo sistema sarebbe stato sensibile alle onde gravitazionali e questo è diventato il fulcro dell’articolo del New Journal of Physics.

La tecnologia per costruire questi sistemi potrebbe richiedere alcuni decenni per svilupparsi“, riconosce Mazumdar. È necessario un vuoto di 10-15 Pascal, mentre la temperatura di funzionamento dovrebbe essere la più bassa possibile, vicino allo zero assoluto (-273 °C). “La tecnologia per ottenere sia il vuoto alto che la bassa temperatura è disponibile, ma abbiamo bisogno della tecnologia per ottenere entrambe le cose allo stesso tempo“. Inoltre, il campo magnetico deve essere costante. “Qualsiasi fluttuazione farebbe collassare la sovrapposizione quantistica“.

Caduta libera

La ricompensa per aver creato questo tipo di sistema sarebbe grande. “Potrebbe essere usato per tutti i tipi di misure in campo come la fisica a bassissima energia o il calcolo quantistico, per esempio“. E potrebbe, naturalmente, essere usato per determinare se la gravità è un fenomeno quantistico. Mazumdar, Bose e colleghi hanno appena caricato un’altra prestampa (2) in cui descrivono come questo esperimento potrebbe essere eseguito. “Per garantire che l’unica interazione tra i due oggetti aggrovigliati sia la gravità tra di loro, l’esperimento dovrebbe essere fatto in caduta libera“, spiega Mazumdar.

Due sistemi quantistici mesoscopici intrecciati dovrebbero essere fatti cadere ripetutamente per ottenere una misura affidabile. “Penso che questo possa essere fatto nel corso della mia vita. E il risultato risolverebbe finalmente una delle più grandi questioni della fisica”.

Citazioni e Approfondimenti


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