Un oscillatore da 128 milligrammi, largo un centimetro, si è spostato di oltre 100 nanometri sotto la sola spinta degli spin degli elettroni. L'esperimento del gruppo di Jason Twamley all'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), pubblicato l'8 ottobre su Science Advances, segna un salto di otto o nove ordini di grandezza rispetto alle masse finora manipolate dagli spin quantistici.
Dagli atomi al centimetro
Lo spin è una proprietà intrinseca delle particelle: si comporta come un piccolo magnete. Prima di questo esperimento, quella spinta aveva mosso solo singoli atomi o nanoparticelle di pochi nanometri. Nel setup dell'OIST una piastra di grafite levita per effetto diamagnetico sopra una scacchiera di magneti, e un diamante da 3 millimetri le è appeso sotto attraverso una canna di fibra di carbonio. Il diamante contiene miliardi di difetti chiamati centri azoto-vacanza (NV), che intrappolano elettroni spaiati e si comportano da piccoli magneti controllabili. Impulsi di un laser verde da 50 milliwatt polarizzano gli spin in una configurazione predefinita: le fluttuazioni magnetiche risultanti spingono il diamante verso il basso. Un interferometro misura lo spostamento riflettendo un laser su uno specchio applicato alla piastra di grafite, con precisione picometrica. L'ampiezza del moto, oltre i 100 nanometri citati nell'abstract di Science Advances, è classica: la novità non è una sovrapposizione quantistica dell'oggetto, ma il fatto che a provocarla sia la spinta degli spin quantistici.
Nove ordini di grandezza e la soglia del gatto
Il salto quantitativo è il dato centrale. 'Abbiamo osservato una risposta meccanica classica a una forza quantistica su un oggetto da otto a nove ordini di grandezza più massivo rispetto allo stato dell'arte della spin-meccanica', afferma Twamley. In pratica il gruppo giapponese ha moltiplicato per cento milioni, o un miliardo, la scala di massa a cui questi effetti erano stati osservati, portandola dalle nanoparticelle a un oggetto che un occhio nudo può vedere. Il traguardo che gli autori indicano apertamente è il gatto di Schrödinger macroscopico, cioè una sovrapposizione di posizione del moto o dell'intero oggetto, nel regime in cui la gravità newtoniana è già rilevante. Twamley stima che 'basta un altro ordine di grandezza', una decina di volte di più in massa o in ampiezza, per entrare in quel regime. La scelta dei centri NV non è casuale: tra i sistemi quantistici noti, hanno fra i tempi di coerenza più lunghi anche a temperatura ambiente, condizione pratica per mantenere stati quantistici in un apparato da 128 mg senza raffreddarlo a frazioni di kelvin. L'approccio parte dal grande, invece di estendere lentamente gli effetti quantistici dal nanometro verso l'alto: una scorciatoia resa possibile dalla levitazione diamagnetica, lo stesso principio dei treni maglev applicato a scala di laboratorio.
Dai sensori di materia oscura al filone italiano
Un oscillatore pilotato dagli spin quantistici può diventare, nelle intenzioni degli autori, una nuova classe di sensori per materia oscura, onde gravitazionali e forze esotiche: un canale complementare agli interferometri come LIGO e Virgo già operativi. Il piano è usare l'oggetto come massa di prova macroscopica, sensibile a interazioni gravitazionali deboli che sfuggono alle particelle isolate. In Italia la fisica fondamentale lavora su filoni paralleli e su scale molto diverse: dal rivelatore CUPID al Gran Sasso, che cerca il decadimento doppio beta senza neutrini, al primo microblazar della Via Lattea identificato con Medicina e Noto, fino alla chimica di precisione del ribozima accelerato dal CNR-IOM. Il comunicato OIST rivendica un posto in questa stessa agenda: strumenti nuovi per interrogare la relatività generale sul terreno della meccanica quantistica.
La prova decisiva passerà dalla capacità di mettere il diamante in sovrapposizione di posizione: fin lì mancano gli strumenti per isolare l'oscillatore dalle vibrazioni residue, non un principio di fisica. Il paper rende la questione sperimentale, non più solo teorica.
Domande frequenti
Che cosa rende innovativo l'esperimento condotto dal gruppo OIST?
L'esperimento ha permesso di muovere un oggetto macroscopico, un diamante da 128 mg, tramite la sola spinta degli spin quantistici, segnando un salto di otto o nove ordini di grandezza rispetto alle masse precedentemente manipolate con questa tecnica.
Qual è il ruolo dei centri azoto-vacanza (NV) nel diamante utilizzato nell'esperimento?
I centri NV intrappolano elettroni spaiati che possono essere controllati tramite impulsi laser, permettendo così di polarizzare e manipolare gli spin per generare la forza che muove il diamante.
Quali applicazioni future prevede il team di ricerca per questa tecnologia?
Il team prevede che oscillatori mossi da spin quantistici possano essere usati come nuovi sensori per la rilevazione di materia oscura, onde gravitazionali e altre forze esotiche, offrendo una metodologia complementare agli interferometri già esistenti.
Cosa significa la 'soglia del gatto' menzionata nell'articolo?
La 'soglia del gatto' si riferisce alla possibilità di creare uno stato di sovrapposizione quantistica macroscopica, simile al famoso paradosso del gatto di Schrödinger, su oggetti di massa e dimensioni rilevanti dal punto di vista classico.
Quali sono i principali ostacoli tecnici ancora da superare per ottenere la sovrapposizione quantistica del diamante?
Il principale ostacolo è l'isolamento dell'oscillatore dalle vibrazioni residue; manca quindi la strumentazione adeguata, non un principio di fisica, per raggiungere la sovrapposizione di posizione macroscopica.
In che modo l'approccio OIST differisce dalle precedenti ricerche in campo quantistico?
L'OIST parte da oggetti macroscopici, sfruttando la levitazione diamagnetica, invece di estendere gradualmente gli effetti quantistici da sistemi atomici o nanometrici verso l'alto, accelerando così il progresso verso nuovi regimi sperimentali.
