Il movimento degli oggetti spiegato dalla fisica quantistica

Il movimento meccanico di un oggetto qualsiasi, ad esempio uno specchio, può essere ridotto al livello di un singolo fotone e, di conseguenza, può essere “spiegato” osservando il comportamento del nostro fotone in un contesto sperimentale ben definito. Avete capito bene: la meccanica quantistica può aiutarci a capire meglio il comportamento e le proprietà degli oggetti che ci circondano. Se questo è vero, fino a che punto possiamo spingerci?Lo strano dispositivo che vedete nell’immagine è un congegno che permette di studiare le interazioni tra un singolo atomo e un fotone “tracciando” le vibrazioni meccaniche di un oggetto macroscopico. L’esperimento è complesso e richiede un lettore abbastanza sgamato -su gaianews.it trovate vari articoli che spiegano esperimenti simili, soprattutto nella sezione Fisica. Per non lasciarvi con l’acquolina bocca, vi descrivo sommariamente il contesto sperimentale della ricerca di Juan Restrepo, Cristiano Ciuti, e Ivan Favero (Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, Université Paris Diderot, CNRS).Iniziamo con una premessa. Per studiare l’interazione tra un fotone e un atomo si possono fare due cose: si possono intrappolare le particelle all’interno di una piccola cavità e spingere l’atomo ad emettere o assorbire un fotone. Questa branca dell’elettrodinamica quantistica (cQED) si è molto sviluppata nel corso degli ultimi 15 anni. Ma si può optare anche per un’altra soluzione: osservare il modo in cui la luce interagisce con oggetti più grandi degli atomi come, ad esempio, un piccolo specchio che oscilla quando è colpito da un fascio di fotoni. L’optomeccanica segue sostanzialmente questo approccio. Come la mettiamo con la perdita di coerenza del sistema? Il labile confine tra il microcosmo e il macrocosmo è tracciabile mediante la “perdita di coerenza del sistema” quantistico; la funzione d’onda collassa e le cose assumono la forma che vediamo. Ma qui entriamo in un ambito spinoso: uno dei problemi più difficili da risolvere è infatti capire in che modo gli oggetti della nostra esperienza quotidiana conservino una “veste comportamentale quantistica”. A questo scopo sono stati ideati vari dispositivi ibridi che combinano la cQED con l’optomeccanica.Vediamo ora l’esperimento. I ricercatori hanno costruito un risonatore optomeccanico con al suo interno un punto quantico (quantum dot), una nanostruttura  formata da materiali semiconduttori. Si tratta di un disco fatto di un materiale semiconduttore, che si estende per diversi micrometri, in grado di vibrare a frequenze specifiche; il disco è una vera e propria trappola che contiene un “atomo artificiale”, ossia un elettrone confinato nel punto quantico. Le virtù principali di questi punti quantici sono due: hanno livelli energetici discreti, come una singola molecola o un singolo atomo, e hanno una banda di assorbimento molto larga, contrariamente a quella di emissione che è molto stretta. Dal momento che un elettrone così intrappolato può avere due livelli di energia, ad ogni salto quantico corrisponde l’emissione di un fotone registrato con una vibrazione.I teorici hanno scoperto che il sistema può ridurre drasticamente il moto vibrazionale di una piccola ampiezza tale che deve essere descritto dalle regole della meccanica quantistica anziché da quelle della meccanica classica. In parole povere, il sistema si raffredda! Le vibrazioni potrebbero essere ridotte ad un livello così basso – o, forse, sarebbe meglio dire infinitesimale – da rendere necessario l’abbandono delle consuete leggi della fisica classica in favore dello stravagante dominio quantistico. Non solo. I calcoli mostrano che in un ambiente freddo, e dopo molti cicli di fotoni, la vibrazione potrebbe essere così ridotta da raggiungere il livello minimo consentito dalla meccanica quantistica, corrispondente all’energia di un singolo fonone (il fonone è una quasiparticella che descrive il “quanto di vibrazione”). Sappiamo che processi come il flusso di calore sono intesi soprattutto in termini di comportamento collettivo di fononi. Restano oscuri fenomeni come la transizione tra i singoli fononi e il loro comportamento collettivo a livello macroscopico.Alla luce di tutto questo, è possibile avere una descrizione quantistica standard che si applichi a tutti i sistemi che abbiano una massa di ordine macroscopico? È possibile descrivere in questi termini solo la struttura o anche tutte le proprietà e i comportamenti dei corpi macroscopici? Insomma, le descrizioni quantistiche possono diventare un modello epistemologico esportabile a tutti i livelli di grandezza? Gli scenari che questa ricerca apre sono numerosi e affascinanti.Paper di riferimento: Juan Restrepo, Cristiano Ciuti, Ivan Favero, Single-Polariton Optomechanics, in “Physical Review Letters”, (2014), 112, 013601.(photocredit: J. Restrepo/Paris Diderot Univ.).  

(Photocredit: J. Restrepo/Paris Diderot Univ.).

Il movimento meccanico di un oggetto qualsiasi, ad esempio uno specchio, può essere ridotto al livello di un singolo fotone e, di conseguenza, può essere “spiegato” osservando il comportamento del nostro fotone in un contesto sperimentale ben definito. Avete capito bene: la meccanica quantistica può aiutarci a capire meglio il comportamento e le proprietà degli oggetti che ci circondano. Se questo è vero, fino a che punto possiamo spingerci?

Lo strano dispositivo che vedete nell’immagine è un congegno che permette di studiare le interazioni tra un singolo atomo e un fotone “tracciando” le vibrazioni meccaniche di un oggetto macroscopico. L’esperimento è complesso e richiede un lettore abbastanza sgamato –su gaianews.it trovate vari articoli che spiegano esperimenti simili, soprattutto nella sezione Fisica. Per non lasciarvi con l’acquolina bocca, vi descrivo sommariamente il contesto sperimentale della ricerca di Juan Restrepo, Cristiano Ciuti, e Ivan Favero (Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, Université Paris Diderot, CNRS).

Iniziamo con una premessa. Per studiare l’interazione tra un fotone e un atomo si possono fare due cose: si possono intrappolare le particelle all’interno di una piccola cavità e spingere l’atomo ad emettere o assorbire un fotone. Questa branca dell’elettrodinamica quantistica (cQED) si è molto sviluppata nel corso degli ultimi 15 anni. Ma si può optare anche per un’altra soluzione: osservare il modo in cui la luce interagisce con oggetti più grandi degli atomi come, ad esempio, un piccolo specchio che oscilla quando è colpito da un fascio di fotoni. L’optomeccanica segue sostanzialmente questo approccio. Come la mettiamo con la perdita di coerenza del sistema? Il labile confine tra il microcosmo e il macrocosmo è tracciabile mediante la “perdita di coerenza del sistema” quantistico; la funzione d’onda collassa e le cose assumono la forma che vediamo. Ma qui entriamo in un ambito spinoso: uno dei problemi più difficili da risolvere è infatti capire in che modo gli oggetti della nostra esperienza quotidiana conservino una “veste comportamentale quantistica”. A questo scopo sono stati ideati vari dispositivi ibridi che combinano la cQED con l’optomeccanica.

Vediamo ora l’esperimento. I ricercatori hanno costruito un risonatore optomeccanico con al suo interno un punto quantico (quantum dot), una nanostruttura  formata da materiali semiconduttori. Si tratta di un disco fatto di un materiale semiconduttore, che si estende per diversi micrometri, in grado di vibrare a frequenze specifiche; il disco è una vera e propria trappola che contiene un “atomo artificiale”, ossia un elettrone confinato nel punto quantico. Le virtù principali di questi punti quantici sono due: hanno livelli energetici discreti, come una singola molecola o un singolo atomo, e hanno una banda di assorbimento molto larga, contrariamente a quella di emissione che è molto stretta. Dal momento che un elettrone così intrappolato può avere due livelli di energia, ad ogni salto quantico corrisponde l’emissione di un fotone registrato con una vibrazione.

I teorici hanno scoperto che il sistema può ridurre drasticamente il moto vibrazionale di una piccola ampiezza tale che deve essere descritto dalle regole della meccanica quantistica anziché da quelle della meccanica classica. In parole povere, il sistema si raffredda! Le vibrazioni potrebbero essere ridotte ad un livello così basso – o, forse, sarebbe meglio dire infinitesimale – da rendere necessario l’abbandono delle consuete leggi della fisica classica in favore dello stravagante dominio quantistico. Non solo. I calcoli mostrano che in un ambiente freddo, e dopo molti cicli di fotoni, la vibrazione potrebbe essere così ridotta da raggiungere il livello minimo consentito dalla meccanica quantistica, corrispondente all’energia di un singolo fonone (il fonone è una quasiparticella che descrive il “quanto di vibrazione”). Sappiamo che processi come il flusso di calore sono intesi soprattutto in termini di comportamento collettivo di fononi. Restano oscuri fenomeni come la transizione tra i singoli fononi e il loro comportamento collettivo a livello macroscopico.

Alla luce di tutto questo, è possibile avere una descrizione quantistica standard che si applichi a tutti i sistemi che abbiano una massa di ordine macroscopico? È possibile descrivere in questi termini solo la struttura o anche tutte le proprietà e i comportamenti dei corpi macroscopici? Insomma, le descrizioni quantistiche possono diventare un modello epistemologico esportabile a tutti i livelli di grandezza? Gli scenari che questa ricerca apre sono numerosi e affascinanti.

Paper di riferimento: Juan Restrepo, Cristiano Ciuti, Ivan Favero, Single-Polariton Optomechanics, in “Physical Review Letters”, (2014), 112, 013601.

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...