Un team di fisici ha dimostrato un sistema in cui la luce viene usata per controllare il movimento di un oggetto che è abbastanza grande da essere visto ad occhio nudo, al livello in cui la meccanica quantistica governa il suo comportamento. Il movimento degli oggetti è governato dalle leggi della meccanica quantistica, che predice alcuni fenomeni intriganti: un oggetto potrebbe essere simultaneamente in due posti allo stesso tempo e dovrebbe sempre muoversi un poco, persino alla temperatura dello zero assoluto, l'oscillatore si dice quindi nel suo “stato di terra”. Fino a poco tempo fa, queste strane predizioni della meccanica quantistica sono state osservate solo nel movimento di oggetti minuscoli come atomi individuali. Per gli oggetti grandi, l'accoppiamento inevitabile dell'oggetto con l'ambiente circostante, elimina rapidamente le proprietà quantistiche, in un processo conosciuto come decoerenza. Ricercatori presso il Laboratory of Photonics and Quantum Measurements della EPFL, ora hanno mostrato che è possibile usare la luce per controllare il movimento vibratorio di un oggetto macroscopico, consistente in centinaia di trilioni di atomi, a livello quantistico. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati nella seconda edizione di Febbraio del magazine Nature.
Un anello di luce
L'oggetto che hanno usato era circolare, una ciambella di vetro di 30 micrometri in diametro, montata su un microchip. Sotto la direzione di Tobias Kippenberg, il team ha iniettato un laser in una sottilissima fibra ottica e ha avvicinato la fibra alla ciambella, permettendo alla luce di “saltare” sull'oggetto e circolare attorno alla circonferenza della ciambella, fino a milioni di volte. Come la pressione di un dito attorno al bordo di un bicchiere di vino lo fa vibrare, la leggera forza esercitata dai fotoni in viaggio nell'anello di vetro, lo possono far vibrare ad una precisa frequenza. La forza però può anche smorzare le vibrazioni e rallentare il moto oscillatorio.
Freddo, più freddo…
Il raffreddamento è cruciale per raggiungere il regime del movimento quantomeccanico, dato che questo è normalmente oscurato da fluttuazioni termiche casuali. Per questa ragione, la struttura viene posizionata in un criostato che la porta ad una temperatura inferiore ad un grado sopra lo zero assoluto (−273.15°C). La luce lanciata nella ciambella rallenta il movimento di cento volte, così raffreddandolo ulteriormente, portandolo molto vicino allo “stato di terra” quantistico. Cosa più importante, l'interazione tra la luce e il movimento dell'oscillatore può essere resa così forte che i due formano una connessione intima: una piccola eccitazione nella forma di impulso luminoso, è stata pienamente trasformata in una piccola vibrazione e viceversa. Per la prima volta, questa trasformazione tra luce e movimento è stata prodotta entro un tempo tanto breve da non perdere le proprietà quantistiche dell'impulso di luce originale nel processo di decoerenza. Superando la decoerenza, questi risultati dimostrano la possibilità di controllare le proprietà quantistiche del movimento di un oggetto. Ciò fornisce anche un modo per vedere in gioco le peculiari predizioni della meccanica quantistica negli oggetti artificiali.
Guardiamo avanti
Le vibrazioni meccaniche possono essere accoppiate ai sistemi quantistici di natura completamente diversa (come le correnti elettriche), così come alla luce. Potrebbero quindi essere usate per “tradurre” l'informazione quantistica tra questi sistemi e i segnali di luce. Questo è specialmente benefico, dato che permette di trasportare informazione quantistica, l'ingrediente di base del futuro computer quantistico, a grande distanza nelle fibre ottiche.
Quantum-coherent coupling of a mechanical oscillator to an optical cavity mode, E. Verhagen, S. Deléglise, S. Weis, A. Schliesser, Tobias J. Kippenberg, Nature, January 2012. DOI: 10.1038/nature10787
Immagine: © 2012 EPFL
Fonte: http://actu.epfl.ch/news/a-quantum-connection-between-light-and-motion/