Spin quantistici muovono un oggetto largo un centimetro
L’esperimento è stato condotto in Giappone da un gruppo dell’Okinawa Institute of Science and Technology. Gli spin degli elettroni hanno innescato il movimento classico di un apparato da 128 milligrammi.
Una forza quantistica è riuscita a mettere in movimento un oggetto largo un centimetro: un salto di scala rispetto agli esperimenti precedenti, nei quali gli spin degli elettroni erano stati usati per spostare soltanto singoli atomi. Il movimento osservato è stato classico, ma è stato innescato dagli spin, una proprietà quantistica delle particelle.
Il risultato, descritto in uno studio pubblicato su Science Advances, è stato ottenuto da un gruppo dell’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), in Giappone. L’esperimento affronta una questione centrale della fisica: capire come si raccordino il mondo quantistico, che riguarda le scale più piccole, e quello macroscopico, in cui agiscono fenomeni come la gravità.
«Sono stati compiuti molti tentativi per verificare se la meccanica quantistica valga anche per oggetti più grandi di qualche decina di nanometri, finora senza successo», afferma il fisico teorico Jason Twamley. «Ora abbiamo osservato una risposta meccanica classica a una forza quantistica su un oggetto da otto a nove ordini di grandezza più massiccio rispetto agli esperimenti di spin-meccanica più avanzati finora realizzati».
Come gli spin hanno mosso l’oggetto
Lo spin è una proprietà intrinseca degli elettroni che genera un minuscolo effetto magnetico, paragonabile a un ago di bussola. Per sfruttarlo, i ricercatori hanno sospeso una piastra di grafite sopra una scacchiera di magneti. Alla piastra era appeso un diamante di 3 millimetri, contenente difetti atomici chiamati centri azoto-vacanza, o centri NV. Questi difetti permettono di controllare gli spin degli elettroni nel diamante, manipolati nell’esperimento con la luce laser. Un altro magnete ha poi convertito gli spin in movimento.
L’apparato pesava circa 128 milligrammi, poco più di qualche chicco di riso, e si è spostato di circa 100 nanometri: all’incirca un millesimo dello spessore di un capello umano. È un movimento minimo, ma sufficiente a dimostrare che una forza quantistica può produrre una risposta meccanica misurabile su un oggetto molto più grande di quelli studiati finora.
«I diamanti NV sono ben conosciuti e facili da controllare», spiega il fisico Daehee Kim. «Inoltre, i centri NV hanno alcuni dei tempi di coerenza più lunghi mai osservati, che consentono loro di mantenere la sovrapposizione quantistica a temperatura ambiente molto più a lungo rispetto ad altri sistemi. Per questo sono particolarmente promettenti per generare, in future ricerche, una sovrapposizione macroscopica del movimento o dell’oggetto».
Dal grande al piccolo
Di solito, per studiare il rapporto tra il mondo subatomico e quello macroscopico, gli scienziati partono da sistemi piccoli e cercano di estendere gli effetti quantistici a dimensioni maggiori. Il gruppo dell’OIST ha scelto la direzione opposta: lavorare con un apparato già grande rispetto agli standard della fisica quantistica, ma non certo paragonabile a un pianeta.
«Noi siamo nel campo opposto: procediamo dal grande al piccolo», afferma il fisico Anshuman Nayak. «Come la levitazione diamagnetica può sollevare i treni a levitazione magnetica, può anche essere usata per far levitare oggetti larghi un centimetro che contengono diamanti, nei quali l’effetto della gravità può essere estremamente forte, ma non sono ancora stati osservati effetti quantistici».
Il rapporto tra gravità e meccanica quantistica
La gravità è una delle forze fondamentali e il suo rapporto con la meccanica quantistica resta una questione aperta. L’esperimento non ha mostrato un oggetto macroscopico in uno stato quantistico: il movimento rilevato era classico. Il passo avanti consiste nell’aver dimostrato che un effetto quantistico può innescare il movimento di un oggetto di queste dimensioni. In futuro, i ricercatori sperano di usare il metodo per portare oggetti più grandi in stati come la sovrapposizione, in cui un sistema si trova contemporaneamente in due stati.
«Abbiamo dimostrato una grande risposta classica a un piccolo effetto quantistico», conclude Twamley. «Non ci chiediamo più se una tecnologia del genere sia possibile, ma come perfezionare le condizioni sperimentali per ottenere la sovrapposizione quantistica nel regime della relatività generale di Einstein. Stiamo spostando l’asticella dai nanometri ai centimetri. Ci basta un altro ordine di grandezza per poter finalmente osservare il gatto di Schrödinger nella vita reale».
La ricerca è stata pubblicata su Science Advances.
