Le leggi quantistiche valgono anche per i cluster metallici

Una prova vivida che un piccolo grumo di metallo può essere un'onda

In un silenzioso laboratorio dell'Università di Vienna questo mese, i ricercatori hanno inviato pacchetti di sodio neutro — ogni pacchetto contenente tra circa 5.000 e 10.000 atomi — lungo una linea di fascio di un metro e li hanno osservati comportarsi come onde. I cluster sono passati attraverso una sequenza di campi di luce ultravioletta stazionari che fungevano da reticoli invisibili; all'estremità opposta, i rilevatori hanno contato un sorprendente schema a strisce nelle posizioni di arrivo. Quelle strisce sono il marchio di fabbrica dell'interferenza quantistica: un singolo oggetto che percorre più di un percorso alla volta e si ricombina per creare bande chiare e scure.

L'interferometro di Vienna e il suo funzionamento

Strisce, macroscopicità e cosa è stato misurato

Presso il rilevatore, i ricercatori hanno scansionato una maschera di luce finale e hanno contato quanti cluster passavano attraverso ogni posizione. Il conteggio oscillava nello spazio — strisce chiare e scure nette — corrispondendo all'interferenza prevista quando le ampiezze dei diversi percorsi si sommano o si annullano. La spaziatura delle frange misurata corrispondeva a separazioni di posizione dell'ordine di cinque milionesimi di pollice, una separazione spaziale macroscopica rispetto alla dimensione dei cluster stessi.

I fisici quantificano quanto profondamente un esperimento sonda il confine tra quantistico e classico con un singolo numero chiamato macroscopicità. Per questi cluster di sodio il punteggio ha raggiunto circa 15,5 — circa dieci volte superiore ai precedenti risultati dell'interferometria di nanoparticelle. Questa cifra più alta non rende quantistici gli oggetti quotidiani, ma significa che l'esperimento è un test molto più rigoroso per le proposte che cercano di modificare la meccanica quantistica a scale più ampie.

Vincolare i modelli di collasso e la divisione tra quantistico e classico

Per decenni i teorici hanno proposto che qualcosa — forse la massa, la gravità o un processo stocastico oggettivo — faccia sì che i sistemi di grandi dimensioni smettano di esibire la sovrapposizione. Questi modelli di collasso aggiungono sollecitazioni casuali all'equazione di Schrödinger in modo che uno stato esteso e diffuso si localizzi rapidamente in un unico esito definito. Il risultato di Vienna spinge queste idee in un angolo più stretto: poiché i cluster sono rimasti in sovrapposizioni spazialmente estese che hanno interferito visibilmente, qualsiasi meccanismo di collasso che agisse a quella scala di massa e lunghezza deve essere più debole o operare in modo diverso rispetto a quanto previsto da alcune versioni dei modelli.

Ciò non prova che non esista una scala alla quale le regole quantistiche falliscono. L'esperimento dimostra che, in condizioni di isolamento estremo e con una preparazione accurata, il comportamento di onda di materia sopravvive in aggregati di atomi molto più grandi di quanto comunemente ipotizzato. La questione ora è dove, se mai, appaia un confine netto — o se le regole quantistiche si estendano senza un limite preciso, limitate solo da sfide tecniche come la decoerenza.

Come questo si inserisce in altri recenti traguardi quantistici

Il lavoro di Vienna è un tassello di un programma sperimentale più ampio e in accelerazione che sta portando gli effetti quantistici verso sistemi più grandi. Team dell'Università di Tampere e istituzioni partner hanno recentemente fornito la prima conferma sperimentale che il momento angolare orbitale si conserva anche quando un singolo fotone si scinde in una coppia — un test rigoroso delle leggi di conservazione a livello di singolo fotone, reso possibile da ottica non lineare a basso rumore e schemi di rilevamento estremamente efficienti. Altrove, vari gruppi hanno preparato sovrapposizioni di moto in risonatori e cristalli macroscopici, e i teorici hanno delineato proposte da laboratorio per testare se la gravità stessa possa indurre entanglement in oggetti massicci.

I laboratori nazionali di metrologia hanno sottolineato il lato pratico di questo progresso. Agenzie come il National Institute of Standards and Technology evidenziano come le stesse tecniche di controllo di precisione che consentono i test fondamentali alimentino anche le tecnologie: sensori quantistici, orologi più precisi e componenti per future reti e processori quantistici. In breve, gli esperimenti che sondano i limiti della meccanica quantistica sono anche i laboratori dove vengono forgiati gli strumenti quantistici di prossima generazione.

Sfide tecniche e concettuali all'orizzonte

Il percorso verso sovrapposizioni più ampie e complesse passa direttamente attraverso la decoerenza. Qualsiasi interazione casuale — molecole d'aria, fotoni termici, campi elettromagnetici vaganti — sottrae informazioni sul percorso e fa collassare la sovrapposizione. L'aumento di scala richiede quindi un raffreddamento migliore, vuoti più spinti, una manipolazione più delicata e rilevatori in grado di scorgere segnali minuscoli senza introdurre nuovi disturbi.

Tabella di marcia: materiali, distanze e nuovi test

Il team ha suggerito di sperimentare diversi materiali — altri metalli, isolanti o particelle composite — per esplorare come la densità, i gradi di libertà interni e la struttura influenzino l'interferenza. Distanze di volo maggiori aumentano il tempo durante il quale i meccanismi di collasso potrebbero agire, quindi estendere la linea di base dell'interferometro è un altro modo diretto per rafforzare i vincoli. I ricercatori mirano anche a generare entanglement tra oggetti separati spazialmente o a combinare sovrapposizioni massicce con sonde di forza sensibili per cercare l'entanglement mediato dalla gravità, una firma sperimentale proposta della gravità quantistica.

Perché il risultato è importante al di là della fisica pura

Al di là del tiro alla fune concettuale sulla possibilità che la natura imponga un limite tra quantistico e classico, questi esperimenti sono importanti perché affinano gli strumenti che sosterranno le tecnologie future. Un miglior controllo della sovrapposizione e della decoerenza alimenta i progressi nella sensoristica, nel cronometraggio e nell'elaborazione delle informazioni — applicazioni che sono già ai margini della commercializzazione. Inoltre, test precisi delle leggi di conservazione e delle simmetrie a livello quantistico possono rivelare sottili fallimenti o interazioni nascoste rilevanti per i protocolli di comunicazione quantistica e la metrologia.

Infine, i risultati influenzano il modo in cui gli scienziati inquadrano le grandi questioni. Se il comportamento quantistico può persistere in aggregati di atomi sempre più grandi, allora la linea che divide il quantistico dal classico potrebbe essere più una frontiera sperimentale pratica che un muro cosmologico di principio. Ciò sposta la sfida dalla ricerca di una nuova regola alla padronanza dei sistemi quantistici tale da poter progettare con essi su scala.

L'interferenza dei cluster di Vienna, i test di conservazione del singolo fotone e gli esperimenti che pongono cristalli e risonatori in sovrapposizione segnano collettivamente un periodo in cui la fisica fondamentale e l'ingegneria quantistica applicata avanzano di pari passo. Ogni traguardo stringe i vincoli teorici e amplia le possibilità pratiche — portando l'elusiva sovrapposizione tra la stranezza quantistica e le scale quotidiane in una messa a fuoco più nitida e sperimentalmente accessibile.

Fonti

• arXiv (preprint sull'interferometria di nanoparticelle)
• Physical Review Letters (conservazione del momento angolare a livello di singolo fotone)
• Università di Vienna (gruppo di ricerca Arndt)
• Università di Tampere (esperimento sul momento angolare orbitale del fotone)
• National Institute of Standards and Technology (NIST)