Nel mondo della fisica quantistica, dove le leggi della meccanica classica cedono il passo a fenomeni controintuitivi, un team dell’Università di Yale ha raggiunto un risultato che fino a poco tempo fa sembrava fantascienza. Servendosi di fasci laser di altissima precisione, i ricercatori sono riusciti a raffreddare le vibrazioni quantizzate del suono in oggetti macroscopici fino al loro stato fondamentale, cioè il livello energetico più basso consentito dalle leggi quantistiche. Un traguardo che apre prospettive rivoluzionarie per le comunicazioni, l’informatica quantistica e molte altre tecnologie del futuro.
La sfida delle dimensioni nel dominio quantistico
Il gruppo guidato da Peter Rakich ha dimostrato che si possono controllare vibrazioni interne a oggetti macroscopici usando soltanto la luce. L’esperimento ha impiegato un risonatore in quarzo cristallino in scala microscopica, contenente circa 10 microgrammi di materiale in vibrazione acustica. Per dare un’idea, un oggetto di queste dimensioni è leggermente più piccolo di un granello di sabbia, ma a livello atomico racchiude 100 quadrilioni di atomi che oscillano in maniera coerente secondo le leggi della meccanica quantistica.
Il salto è notevole se confrontato con i metodi precedenti, che riuscivano a controllare oggetti un milione di volte più piccoli. L’aumento di scala non è solo quantitativo: oggetti più grandi mantengono più a lungo le loro proprietà quantistiche, un aspetto cruciale noto come tempo di coerenza.
Il segreto del quarzo e delle superfici
Una delle principali sfide per chi lavora in questo campo è proprio l’aumento dei tempi di coerenza. La chiave sta nel fatto che negli oggetti più grandi una porzione minore di atomi si trova sulla superficie, dove le interazioni indesiderate rischiano di distruggere la delicatezza dello stato quantistico. L’approccio sviluppato a Yale sfrutta la luce per interagire direttamente con le onde sonore interne al cristallo, riducendo drasticamente i disturbi superficiali.
Il sistema messo a punto si distingue per la sua stabilità, che lo rende resistente al riscaldamento indesiderato. Questo lo candida come ottimo candidato per applicazioni in memoria quantistica e dispositivi di nuova generazione. A differenza di altri risonatori usati in passato, che interagivano con segnali elettrici a bassa frequenza, la soluzione di Yale permette di controllare fononi ad altissima frequenza utilizzando la luce.
L’amplificazione ottica dei fononi
Per rafforzare l’interazione tra luce e vibrazioni sonore interne, i ricercatori hanno utilizzato un risonatore ottico Fabry-Perot, basato su specchi altamente riflettenti capaci di amplificare la luce nel cristallo. Questo ha consentito di raffreddare i fononi fino allo stato quantico fondamentale, stabilizzandoli e preservandone le proprietà.
Secondo gli studiosi, avere un sistema capace di manipolare con precisione i fononi mantenendo le loro caratteristiche quantistiche apre scenari del tutto nuovi. Si tratta di un passo fondamentale verso applicazioni pratiche che potrebbero trasformare radicalmente la memorizzazione e l’elaborazione dell’informazione, portando la ricerca quantistica sempre più vicina al mondo reale.
