Grazie a una nuova tecnica, gli scienziati sono riusciti a catturare gli atomi di litio mentre si trasformano in onde quantistiche.

 

Per la prima volta in assoluto, i fisici hanno catturato un’immagine chiara dei singoli atomi che si comportano come un’onda. L’immagine mostra atomi fluorescenti che si trasformano in piccole “macchie” confuse di pacchetti d’onda ed è la dimostrazione del fatto che gli atomi esistono sia come particelle che come onde, uno dei capisaldi della meccanica quantistica.

La natura ondulatoria della materia.

“La natura ondulatoria della materia rimane uno degli aspetti più affascinanti della meccanica quantistica”, spiegano gli autori dell’articolo. Aggiungono che la loro nuova tecnica potrebbe essere utilizzata per immaginare sistemi più complessi, fornendo spunti su alcune questioni fondamentali della fisica. Proposta per la prima volta dal fisico francese Louis de Broglie nel 1924 e ampliata da Erwin Schrödinger due anni dopo, la dualità onda-particella afferma che tutti gli oggetti di dimensioni quantistiche, e quindi tutta la materia, esistono sia come particelle che come onde allo stesso tempo.

L’equazione di Schrödinger.

L’equazione di Schrödinger afferma che gli atomi esistono come pacchetti di probabilità simili a onde nello spazio, che collassano poi in particelle discrete dopo l’osservazione. Sebbene sembri controintuitiva, questa bizzarra proprietà del mondo quantistico è stata dimostrata in numerosi esperimenti. Per immaginare questa dualità, i fisici hanno prima raffreddato gli atomi di litio a temperature prossime allo zero assoluto bombardandoli con fotoni provenienti da un laser. Una volta che si sono raffreddati, altri laser li hanno intrappolati all’interno di un reticolo ottico.

L’esperimento degli scienziati.

Con gli atomi raffreddati e confinati, i ricercatori hanno acceso e spento il reticolo ottico, espandendo gli atomi da uno stato confinato di quasi particella a uno simile a un’onda, e viceversa. Una telecamera al microscopio ha registrato la luce emessa dagli atomi nello stato di particella in due momenti diversi. Mettendo insieme le immagini, gli autori hanno ricostruito la forma di quest’onda e osservato come si espande nel tempo, in perfetto accordo con l’equazione di Schrödinger.

https://www.passioneastronomia.it/questa-foto-mostra-gli-atomi-che-si-trasformano-in-onde-quantistiche-come-previsto-da-schrodinger/

Fragilità cosmica. - Filippo Bonaventura

 

Basta veramente niente. La parete di un vaso sanguigno che cede, un grumo di cellule che si riproduce in modo incontrollato. Una caduta da un’altezza sufficiente, un virus microscopico. Siamo fragili.

Se sopravviviamo è solo perché ci troviamo su questo minuscolo strato che chiamiamo “biosfera”, per il quale la selezione naturale e altri processi ci hanno altamente adattati. In qualunque altro punto del cosmo moriremmo quasi istantaneamente. Ci piace pensare che l’universo sia disegnato apposta per noi, ma l’universo è fatto di 400 milioni di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di km3 pronti a ucciderci all’istante, eccezion fatta per la superficie di un minuscolo sassolino sospeso nel vuoto, che un giorno verrà inghiottito dalla sua stessa stella madre.

Siamo come una matita in equilibrio sulla sua punta: un istante e tac, ci ritroviamo orizzontali e lì rimaniamo. Quando un astronomo dice «Betelgeuse esploderà tra poco» intende «entro il prossimo milione di anni». È vero che gli astronomi parlano in un modo tutto loro, ma è vero anche che i nostri tempi-scala sono ridicoli rispetto a quelli cosmici. Duriamo talmente poco che ci sembra di vivere in un universo immobile nonostante tutto sfrecci a milioni di km/h come tante schegge impazzite. Siamo come esserini che vivono per un nanosecondo in una cascata e non si accorgono nemmeno che l’acqua si sta muovendo.

Siamo apparentemente anche l’unica specie su questo pianeta a rendersi conto di tutto questo. Nessun altro con cui parlarne se non tra noi. Abbiamo anche provato a inviare messaggi nello spazio, senza mai ricevere risposta. Doppia spunta blu cosmica. Anzi, peggio: non sappiamo nemmeno se qualcuno ci sia, là fuori, in grado di ascoltarci.

Eppure ci piace disegnare linee immaginarie sulle mappe. Abbiamo il 99,9% del nostro genoma in comune con quello di qualunque altro essere umano. Se fossimo libri, la differenza tra me e te sarebbe di appena una lettera per pagina. Questa è la differenza tra chi odia e chi è odiato, tra chi ama e chi è amato. La verità è che siamo tutti vivi per miracolo, fragili come fibre di vetro e soli come cani sotto la pioggia. Ci piace disegnarle, quelle linee, ma sappiamo anche che sono immaginarie. Siamo tutti prodotti dell’eterno riciclo degli atomi nell’universo.

A partire dai quark la forza attrattiva nucleare ha generato i nuclei atomici. A partire dai nuclei atomici la forza attrattiva elettromagnetica ha generato gli atomi. A partire dagli atomi la forza attrattiva gravitazionale ha generato le stelle e i pianeti. Su questo pianeta ci siamo noi, e a partire da noi un’altra forza attrattiva, che però non sta nei libri di fisica, genera tutto ciò che di buono può venire dalla nostra specie.

https://www.chpdb.it/2022/03/17/fragilita-cosmica/

Anche gli atomi hanno "limiti di velocità." - Mara Magistroni

 

Per la prima volta i fisici hanno calcolato la velocità massima che occorre per spostare un atomo da un punto a un altro senza perdere informazioni. Una scoperta che permetterà di ottimizzare le future tecnologie quantistiche.

Qual è la massima velocità che può raggiungere un atomo per spostarsi da un punto a un altro senza perdere informazioni? Per la prima volta i ricercatori dell’università di Bonn (Germania) e dell’università di Padova sono riusciti a calcolarla all’interno di un sistema quantistico complesso. La scoperta di questo limite di velocità avrà importanti ripercussioni sul calcolo quantistico, scrivono gli esperti: “servirà per raggiungere il numero massimo di operazioni che possono essere eseguite dai computer quantistici”.

Anche nel mondo dei quanti esistono limiti di velocità. Alcuni, quelli nei sistemi semplici a due stati quantici, già si conoscevano perché prevedibili dalla teoria. Ma nei sistemi complessi, in cui un atomo passa attraverso diversi stati eccitati, previsioni non se ne potevano fare.

Conoscere la velocità massima a cui poter spostare un atomo senza perdere informazioni (ossia facendo in modo che all’arrivo l’atomo si trovi nello stesso stato quantico di partenza) è un’informazione preziosa, che permetterebbe di ottimizzare le future tecnologie quantistiche. Andare troppo lenti, infatti, espone ai disturbi dell’ambiente che fanno calare le prestazioni dei computer quantistici, ma andare troppo veloci fa perdere informazioni.

Ora, per la prima volta, i fisici dell’università di Bonn in collaborazione con (anche) l’università di Padova ce l’hanno fatta: hanno spostato un atomo di cesio nel minor tempo possibile senza perdere informazioni. Ma attenzione: la velocità dell’atomo per raggiungere l’obiettivo non si è rivelata costante.

Per cercare di capire l’esperimento, possiamo immaginare di dover portare un bicchiere d’acqua in equilibrio su un vassoio da un punto a un altro di una stanza, a un altro punto ancora nel minor tempo possibile senza farne cadere una goccia. La tecnica migliore è quella di inclinare un pochino il vassoio mentre stiamo accelerando e inclinarlo nella direzione opposta quando rallentiamo per riportarlo completamente orizzontale solo quando ci fermiamo.

Gli atomi, spiega Andrea Alberti, dell’Istituto di Fisica applicata all’Università di Bonn e leader dello studio, sono come l’acqua nel bicchiere: bisogna pensarli come un’onda di materia più che come palle da biliardo. Il vassoio nell’esperimento, invece, era costituito da due raggi laser sovrapposti e diretti l’uno contro l’altro a formare un’onda stazionaria di luce, con montagne e valli. “Abbiamo intrappolato l’atomo in una di queste valli e poi abbiamo messo l’onda luminosa in movimento spostando la valle in cui l’atomo si trovava confinato”, spiega Alberti. “Il nostro obiettivo era quello di portare l’atomo a destinazione nel più breve tempo possibile senza che fuoriuscisse dalla valle stessa”.

I ricercatori hanno così fatto percorrere all’atomo di cesio una distanza di 0,5 micrometri, scoprendo che il trucco per mantenere la massima fedeltà (la somiglianza degli stati iniziale e finale) non è mantenere una velocità di crociera costante ma apportare una serie di aggiustamenti fatta di accelerazioni e decelerazioni: con una velocità media inferiore a circa 17 millimetri al secondo, la fedeltà era molto buona, ma scendeva a valori molto più bassi a velocità medie più elevate.

https://www.wired.it/scienza/lab/2021/02/23/atomi-limite-velocita-computer-quantistico/?fbclid=IwAR1DhCKgmsVAOM-pVMAfjC4Q3eEsGZbdpw4TL2v58U_e_FryeUmm3lwfq6c&refresh_ce=