Dimostrato bizarro effetto quantistico che può rendere invisibile la materia


    Uno strano effetto quantistico (previsto decenni fa) è stato finalmente dimostrato sperimentalmente, nel momento in cui si crea una nube di gas abbastanza fredda e densa la si può rendere invisibile.

    Luce laser blu utilizzata durante gli esperimenti da parte dei ricercatori del MIT. Credits: Christian Sanner/Ye labs/JILAImmagine - Luce laser blu utilizzata in uno degli esperimenti condotti dai ricercatori per rilevare la maggiore trasparenza del gas. (Credits: Christian Sanner, Ye labs / JILA)


    Gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno utilizzato dei laser per raffreddare e condensare il litio in forma gassosa a densità e temperature abbastanza basse in modo da disperdere meno luce. I ricercatori sostengono che il gas potrebbe diventare completamente invisibile ad una temperatura ancora più vicino allo zero assoluto (- 273,15 °C).

    Il bizzarro effetto rappresenta il primo esempio specifico di un processo della meccanica quantistica chiamato principio di esclusione di Pauli. 

    «Il fenomeno che abbiamo osservato è una forma semplice e molto speciale del principio di esclusione di Pauli; ciò che impedisce a un atomo di fare ciò che tutti gli atomi farebbero naturalmente, disperdere la luce», scrive il Dott. Wolfgang Ketterle autore senior dello studio nonché professore di fisica al MIT. «Questa è la prima chiara osservazione che mostra l'esistenza di questo effetto e indica un nuovo fenomeno della fisica» prosegue il ricercatore.

    La nuova tecnica potrebbe essere utilizzata per sviluppare materiali che "eliminano" la luce in modo da prevenire la perdita di informazioni nei computer quantistici.

    Il fisico austriaco Wolfgang Pauli postulò che tutti i fermioni (protoni, neutroni ed elettroni) non possono occupare lo stesso stato quantico simultaneamente.

    Poiché a livello quantico ci sono solo un numero finito di stati energetici ciò costringe gli elettroni negli atomi a impilarsi in livelli di energia più elevati che orbitano sempre più lontano attorno ai nuclei atomici. Ciò mantiene anche gli elettroni (di atomi separati) lontani gli uni dagli altri perchè, secondo un articolo (Stability of Matter) del 1967 scritto dal famoso fisico Freeman Dyson insieme ad A. Lenard, senza il principio di esclusione gli atomi collasserebbero tutti insieme emettendo un enorme quantitativo di energia. 

    Questi risultati non solo producono la sorprendente variazione degli elementi della tavola periodica, ma impediscono anche ai nostri piedi, quando piantati sulla terra, di precipitare attraverso il terreno fino al centro della Terra.

    Il principio di esclusione si applica anche agli atomi di un gas. Di solito gli atomi in una nube di gas hanno molto spazio per poter "rimbalzare". Ciò significa che anche se possono essere fermioni legati dal principio di esclusione di Pauli, tali particelle hanno abbastanza livelli di energia non occupati in cui saltare.

    Quando un fotone (cosiddetta particella di luce) attraversa una nube di un gas relativamente calda sarà in grado di interagire con qualsiasi atomo, assorbendo il suo momento in arrivo, un elettrone salterà a un diverso livello energetico e il fotone verrà emesso nuovamente. 

    Ma se si raffredda un gas abbiamo una storia completamente diversa. Gli atomi perdono energia, riempiendo tutti gli stati energetici più bassi disponibili andando a formare un tipo di materia chiamata mare di Fermi (si tratta di un liquido quantistico costituito da fermioni che assume determinate caratteristiche fisiche quando il valore della temperatura è sufficientemente basso). Le particelle sono, per così dire, "incastrate" tra di loro incapaci cioè di salire a livelli di energia più alti o scendere a quelli più bassi.

    A questo punto le particelle sono impilate in stati energetici (come gli spettatori di un concerto seduti in un'arena con tutti i posti esauriti) e, se colpite, non hanno spazio per muoversi a un altro livello energetico, scrivono i ricercatori. Le particelle quindi non sono più in grado di interagire con la luce ed essa le attraverserà senza alcuna interazione.

    «Un atomo può disperdere un fotone solo se può assorbire la forza derivante dal suo impatto, spostandosi su un'altra "sedia"», scrive Ketterle. «Se tutte le altre "sedie" sono occupate, l'atomo non ha più la capacità di assorbire l'impatto e di disperdere il fotone. Quindi, l'atomo diventa trasparente».

    Ma portare una nube atomica in questo stato energetico è molto difficile. Non soltanto sono necessarie temperature incredibilmente basse ma richiede anche che gli atomi vengano ammassati per registrarne la densità. Si tratta di un compito delicato quindi, dopo aver intrappolato il gas all'interno di una trappola atomica, i ricercatori lo hanno fatto esplodere con un laser.

    In questo caso, i ricercatori hanno sintonizzato i fotoni nel raggio laser in modo che si scontrassero solo con atomi che si muovevano nella direzione opposta, rendendo gli atomi lenti e quindi raffreddati. I ricercatori hanno congelato la loro nube di atomi di litio ad una temperatura di 20 μK (microkelvin), un valore appena al di sopra dello zero assoluto. Gli scienziati hanno quindi impiegato un secondo laser strettamente focalizzato per comprimere gli atomi a una densità record di circa 1 quadrilione (1 seguito da 15 zeri) di atomi per centimetro cubo. 

    I fisici, per valutare il livello di compressione dei loro atomi superraffreddati, li hanno illuminati impiegando un terzo e ultimo raggio laser (calibato attentamente in modo da non alterare la temperatura o la densità del gas) e hanno rilevato il numero di fotoni dispersi attraverso una fotocamera ipersensibile. Come previsto dai ricercatori, gli atomi raffreddati e compressi hanno disperso il 38% di luce in meno rispetto agli atomi a temperatura ambiente, rendendoli significativamente meno brillanti.

    Altri due team di ricercatori indipendenti hanno raffreddato altri due elementi sotto forma gassosa, vale a dire potassio e stronzio, per valutarne gli effetti. Nell'esperimento sugli atomi di stronzio, i ricercatori hanno bloccato e mantenuto gli atomi in uno stato (energetico) eccitato più a lungo. Tutti e tre gli articoli scientifici dimostrano il principio di esclusione di Pauli e sono stati pubblicati il 18 novembre scorso sulla rivista Science.

    I ricercatori hanno finalmente dimostrato l'effetto del principio di esclusione di Pauli e potrebbero eventualmente usarlo per sviluppare materiali in grado di "eliminare" la luce. Tale effetto sarebbe particolarmente utile per migliorare l'efficienza dei computer quantistici, attualmente ostacolati dalla decoerenza quantistica – la perdita di informazioni quantistiche (trasportate dalla luce) nell'ambito dei computer.

    «Ogni volta che "controlliamo" il mondo quantistico (come nei computer quantistici) la dispersione della luce rappresenta un problema, ciò significa che le informazioni fuoriescono dal computer quantistico», scrive Ketterle. «I risultati del nostro studio rappresentano un modo per sopprimere la dispersione della luce, stiamo contribuendo al tema generale del controllo del mondo atomico».