I fisici osservano le particelle quantistiche che attraversano barriere solide. Ecco cosa hanno trovato.

Il mondo quantistico è piuttosto selvaggio, dove l'apparentemente impossibile accade tutto il tempo: gli oggetti Teensy separati da miglia sono legati l'uno all'altro e le particelle possono anche trovarsi in due posti contemporaneamente. Ma uno dei superpoteri quantistici più sconcertanti è il movimento delle particelle attraverso barriere apparentemente impenetrabili.

Ora, un team di fisici ha escogitato un modo semplice per misurare la durata di questo bizzarro fenomeno, chiamato tunneling quantistico. E hanno capito quanto tempo impiega il tunneling dall'inizio alla fine - dal momento in cui una particella entra nella barriera, attraversa ed esce dall'altra parte, hanno riferito online il 22 luglio sulla rivista Nature.

Il tunneling quantistico è un fenomeno in cui un atomo o una particella subatomica può apparire sul lato opposto di una barriera che dovrebbe essere impossibile per la particella penetrare. È come se stessi camminando e incontrando un muro alto 3 metri che si estende a perdita d'occhio. Senza una scala o abilità di arrampicata di Spider-man, il muro ti renderebbe impossibile continuare.

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Tuttavia, nel mondo quantistico, è raro, ma possibile, che un atomo o un elettrone "appaia" semplicemente dall'altra parte, come se un tunnel fosse stato scavato attraverso il muro. "Il tunneling quantistico è uno dei fenomeni quantistici più sconcertanti", ha detto il coautore dello studio Aephraim Steinberg, co-direttore del Quantum Information Science Program presso il Canadian Institute for Advanced Research. "Ed è fantastico che ora siamo in grado di studiarlo effettivamente in questo modo".

Il tunneling quantistico non è nuovo per i fisici. Costituisce la base di molte moderne tecnologie come i chip elettronici, chiamati diodi tunnel, che consentono il movimento dell'elettricità attraverso un circuito in una direzione ma non nell'altra. Anche i microscopi a scansione a tunnel (STM) utilizzano il tunneling per mostrare letteralmente i singoli atomi sulla superficie di un solido. Poco dopo l'invenzione del primo STM, i ricercatori dell'IBM hanno riferito di aver utilizzato il dispositivo per compitare le lettere IBM utilizzando 35 atomi di xeno su un substrato di nichel.

Sebbene le leggi della meccanica quantistica consentano il tunneling quantistico, i ricercatori non sanno ancora esattamente cosa succede mentre una particella subatomica sta subendo il processo di tunneling. In effetti, alcuni ricercatori pensavano che la particella appaia istantaneamente dall'altra parte della barriera come se si teletrasportasse istantaneamente lì, ha riferito Sci-News.com.

In precedenza, i ricercatori avevano cercato di misurare la quantità di tempo necessaria per il tunnelling, con risultati variabili. Una delle difficoltà nelle versioni precedenti di questo tipo di esperimento è identificare il momento in cui inizia e si arresta il tunneling. Per semplificare la metodologia, i ricercatori hanno utilizzato i magneti per creare un nuovo tipo di "orologio" che ticchettava solo durante il tunneling della particella.

Le particelle subatomiche hanno tutte proprietà magnetiche e quando i magneti si trovano in un campo magnetico esterno, ruotano come una trottola. La quantità di rotazione (chiamata anche precessione) dipende da quanto tempo la particella è immersa in quel campo magnetico. Sapendo questo, il gruppo di Toronto ha utilizzato un campo magnetico per formare la propria barriera. Quando le particelle sono all'interno della barriera, precessitano. Al di fuori, non lo fanno. Quindi misurare il tempo di precessione delle particelle ha detto ai ricercatori quanto tempo hanno impiegato quegli atomi per attraversare la barriera.

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"L'esperimento è un risultato tecnico mozzafiato", ha detto Drew Alton, professore di fisica presso la Augustana University, nel South Dakota.

I ricercatori hanno preparato circa 8.000 atomi di rubidio, raffreddandoli a un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. Gli atomi dovevano essere a questa temperatura, altrimenti si sarebbero spostati in modo casuale ad alta velocità, invece di rimanere in un piccolo ammasso. Gli scienziati hanno utilizzato un laser per creare la barriera magnetica; hanno focalizzato il laser in modo che la barriera fosse spessa 1,3 micrometri (micron) o lo spessore di circa 2.500 atomi di rubidio. (Quindi se tu avessi uno spessore di un piede, da davanti a dietro, questa barriera sarebbe l'equivalente di circa mezzo miglio di spessore.) Usando un altro laser, gli scienziati hanno spinto gli atomi di rubidio verso la barriera, spostandoli di circa 0,15 pollici al secondo (4 millimetri / s).

Come previsto, la maggior parte degli atomi di rubidio è rimbalzata sulla barriera. Tuttavia, a causa del tunneling quantistico, circa il 3% degli atomi è penetrato nella barriera ed è apparso dall'altra parte. Sulla base della precessione di quegli atomi, ci sono voluti circa 0,6 millisecondi per attraversare la barriera.

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Chad Orzel, professore associato di fisica all'Union College di New York, che non faceva parte dello studio, ha applaudito l'esperimento, "Il loro esperimento è ingegnosamente costruito per rendere difficile interpretarlo come qualcosa di diverso da quello che dicono", ha detto Orzel , autore di "Come insegnare la meccanica quantistica al tuo cane" (Scribner, 2010) "è uno dei migliori esempi che vedrai di un esperimento mentale reso reale", ha aggiunto.

Gli esperimenti che esplorano il tunneling quantistico sono difficili e sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere le implicazioni di questo studio. Il gruppo di Toronto sta già valutando miglioramenti al proprio apparato non solo per determinare la durata del processo di tunneling, ma anche per vedere se possono imparare qualcosa sulla velocità degli atomi in diversi punti all'interno della barriera. "Stiamo lavorando a una nuova misurazione in cui rendiamo la barriera più spessa e quindi determiniamo la quantità di precessione a diverse profondità", ha detto Steinberg. "Sarà molto interessante vedere se la velocità degli atomi è costante o meno."

In molte interpretazioni della meccanica quantistica, è impossibile, anche in linea di principio, determinare la traiettoria di una particella subatomica. Una tale misurazione potrebbe portare a intuizioni nel mondo confuso della teoria quantistica. Il mondo quantistico è molto diverso dal mondo che conosciamo. Esperimenti come questi aiuteranno a renderlo un po 'meno misterioso.