Indagine sulla meccanica quantistica tramite interferometria di onde di materia con nanoparticelle. Minuscoli “grumi” di metallo possono esistere in più punti contemporaneamente.

Questo risultato rappresenta una delle prove più impegnative finora condotte sulla meccanica quantistica a scale che si avvicinano al mondo macroscopico.

Comportamento quantistico al di là delle particelle minuscole

La fisica quantistica descrive un mondo in cui la materia può comportarsi sia come particella che come onda. Gli scienziati hanno ripetutamente confermato questo comportamento insolito in elettroni, atomi e piccole molecole utilizzando esperimenti di interferenza e di doppia fenditura. Ma nella vita di tutti i giorni, oggetti comuni come rocce, polvere o biglie sembrano seguire le leggi prevedibili della fisica classica, rimanendo fermi in un punto e muovendosi lungo traiettorie definite.

Il team di ricerca viennese, guidato da Markus Arndt e Stefan Gerlich, ha esteso per la prima volta questi effetti quantistici a nanoparticelle metalliche di dimensioni molto maggiori. Gli aggregati di sodio utilizzati nell’esperimento misuravano circa 8 nanometri di diametro, una dimensione simile a quella dei componenti dei transistor moderni. Ciascun aggregato aveva inoltre una massa superiore a 170.000 unità di massa atomica, risultando quindi più pesante della maggior parte delle proteine.

Anche a quella scala, le particelle producevano comunque un’interferenza quantistica misurabile.

“Intuitivamente, ci si aspetterebbe che un blocco di metallo così grande si comporti come una particella classica”, afferma l’autore principale e dottorando Sebastian Pedalino. “Il fatto che interferisca comunque dimostra che la meccanica quantistica è valida anche su questa scala e non richiede modelli alternativi.”

Creazione di un “Gruppo di metallo di Schrödinger”

Per condurre l’esperimento, i ricercatori hanno creato cluster di sodio ultrafreddi contenenti tra 5.000 e 10.000 atomi. Le particelle sono poi passate attraverso tre reticoli di diffrazione generati da fasci laser ultravioletti.

Il primo raggio laser ha determinato la posizione di ciascun cluster con una precisione di circa 10 nm e ha posto le particelle in una sovrapposizione quantistica, il che significa che potevano seguire simultaneamente più percorsi attraverso l’apparato. Quando questi possibili percorsi si sono sovrapposti in seguito durante l’esperimento, hanno prodotto un modello di interferenza a strisce rilevabile che corrispondeva alle previsioni della teoria quantistica.

I risultati indicano che le particelle non hanno occupato una posizione fissa durante il loro volo. Al contrario, il loro stato quantistico si è esteso su una regione decine di volte più grande delle particelle stesse.

I fisici descrivono queste condizioni come stati del gatto di Schrödinger, facendo riferimento al famoso esperimento mentale del fisico austriaco Erwin Schrödinger, che coinvolge un gatto che è contemporaneamente morto e vivo finché non viene osservato. In questo caso, i ricercatori descrivono gli ammassi metallici come se fossero effettivamente “qui e non qui” allo stesso tempo.

Test da record della meccanica quantistica

Le basi teoriche per questo tipo di interferometria di campo vicino sono state sviluppate negli ultimi due decenni da Klaus Hornberger (Università di Duisburg-Essen), che è anche coautore del nuovo studio. Hornberger e Stefan Nimmrichter (allora Università di Vienna) avevano precedentemente introdotto il concetto di macroscopicità, un modo per confrontare quanto diversi esperimenti mettano alla prova i limiti della meccanica quantistica.

La macroscopicità permette agli scienziati di valutare esperimenti che coinvolgono sistemi come nano-oscillatori, interferometri atomici e risonatori nanoacustici, misurando l’efficacia con cui questi sistemi escludono anche minime deviazioni dalla teoria quantistica standard.

Nel nuovo esperimento, il team ha raggiunto un valore di macroscopicità pari a μ = 15,5. Secondo i ricercatori, questo valore è circa un ordine di grandezza superiore a quello ottenuto in precedenti esperimenti a livello mondiale.

Per raggiungere lo stesso livello di precisione nei test utilizzando gli elettroni, gli scienziati dovrebbero preservare la sovrapposizione quantistica degli elettroni per quasi 100 milioni di anni. Le nanoparticelle metalliche di Vienna hanno raggiunto questo traguardo in appena un centesimo di secondo.

Applicazioni future ed esperimenti quantistici su larga scala

Oltre a mettere alla prova i fondamenti della fisica, questo lavoro potrebbe aiutare i ricercatori a capire perché gli effetti quantistici dominano il mondo microscopico, mentre gli oggetti di uso quotidiano appaiono normali e classici.

Il team prevede di esaminare particelle ancora più grandi e altri materiali in studi futuri, spingendo potenzialmente questi test di diversi ordini di grandezza. Si prevede che infrastrutture sperimentali migliorate e apparecchiature più moderne consentiranno misurazioni ancora più precise.

L’interferometro di Vienna funziona anche come sensore di forza estremamente preciso, in grado di rilevare forze dell’ordine di 10⁻²⁶ N. I ricercatori affermano che le versioni future potrebbero diventare ancora più sensibili, aprendo la strada a misurazioni estremamente accurate delle proprietà elettriche, magnetiche e ottiche di nanoparticelle isolate. Queste capacità potrebbero in futuro supportare nuovi progressi nella nanotecnologia e nella sensoristica di precisione.

I ricercatori dell’Università di Vienna, guidati da Markus Arndt e Stefan Gerlich, hanno condotto lo studio in collaborazione con Klaus Hornberger dell’Università di Duisburg-Essen. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature .

Il principio di sovrapposizione quantistica è un concetto fondamentale della fisica. e la base di numerose tecnologie quantistiche Eppure, è ancora spesso considerato controintuitivo perché non ne osserviamo le caratteristiche principali su scala macroscopica nella nostra vita quotidiana. È quindi interessante chiedersi come le proprietà quantistiche persistano o cambino all’aumentare delle dimensioni e della complessità degli oggetti. Un test modello per questa questione può essere realizzato tramite l’interferometria delle onde di materia, in cui il moto delle singole particelle massive si delocalizza e deve essere descritto da una funzione d’onda che si estende su regioni molto più ampie della particella stessa. Nel corso degli anni, questo aspetto è stato esplorato con una serie di oggetti di massa e complessità crescenti. e una comunità in crescita mira a spingere questo verso limiti sempre più grandi. Qui presentiamo una piattaforma sperimentale che estende l’interferenza delle onde di materia a grandi cluster metallici, una classe di materiali qualitativamente nuova per gli esperimenti quantistici. Dimostriamo in particolare l’interferenza quantistica di nanoparticelle di sodio, ognuna delle quali può contenere più di 7.000 atomi con masse superiori a 170.000 Da. Si propagano in uno stato di gatto di Schrödinger con una macroscopicità di μ = 15,5, superando gli esperimenti precedenti di un ordine di grandezza.