Una nuova tecnica di imaging, che ha catturato atomi di litio congelati che si trasformano in onde quantistiche, potrebbe essere utilizzata per sondare alcuni degli aspetti meno compresi del mondo quantistico.
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 punti rossi nitidi di atomi fluorescenti che si trasformano in macchie sfocate di pacchetti d’onda ed è una straordinaria dimostrazione dell’idea che gli atomi esistono sia come particelle che come onde, il fulcro della meccanica quantistica.
Uno degli aspetti più rivoluzionari – e estremamente controintuitivo – della fisica quantistica è proprio l’evidenza che le particelle subatomiche si comportano anche come fossero delle onde ,a seconda dell’esperimento allestito per rilevarle.
La dualità onda-particella permette di conoscere l’evoluzione temporale di queste in un determinato sistema, grazie all’equazione sviluppata da Erwin Schrödinger verso la fine degli anni ’20 del secolo scorso.
Semplificando al massimo, si possono immaginare le particelle non come tali, cioè oggetti dotati di dimensioni, bensì come dei campi quantistici sparsi nello spazio, che “collassano” – ossia diventano vere particelle – soltanto quando vi è un apposito apparato che le misura.
Non sono cose trascendentali: si pensi al campo elettromagnetico, cioè a un banale fascio di luce. Esso si irradia come un’onda, che è composta però da singoli fotoni, le particelle portatrici di luce, che possono essere individuati singolarmente tramite un rilevatore.
Lo stesso vale per gli elettroni (e per tutte le altre particelle), come dimostrato dal celeberrimo esperimento delle due fenditure.
Gli scienziati che hanno inventato la tecnica di imaging hanno pubblicato i loro risultati sul server di prestampa arXiv, quindi la loro ricerca non è ancora stata sottoposta a revisione paritaria.
“La natura ondulatoria della materia rimane uno degli aspetti più sorprendenti della meccanica quantistica”, hanno scritto i ricercatori nell’articolo.
Aggiungono che la loro nuova tecnica potrebbe essere utilizzata per ottenere immagini di sistemi più complessi, fornendo approfondimenti su alcune questioni fondamentali della fisica.
Per ottenere l’immagine di questa dualità sfocata, i fisici hanno prima raffreddato gli atomi di litio a temperature prossime allo zero assoluto, bombardandoli con fotoni, o particelle di luce, da un laser per privarli del loro slancio.
Una volta che gli atomi sono stati raffreddati, altri laser li hanno intrappolati all’interno di un reticolo ottico come pacchetti discreti.
Con gli atomi raffreddati e confinati, i ricercatori hanno periodicamente spento e riacceso il reticolo ottico, espandendo gli atomi da uno stato confinato vicino a una particella a uno simile a un’onda, e poi di nuovo.
Una fotocamera al microscopio ha registrato la luce emessa dagli atomi allo stato di particella in due momenti diversi, con gli atomi che si comportano come onde intermedie.
Mettendo insieme molte immagini, gli autori hanno costruito la forma di questa onda e hanno osservato come si espande nel tempo, in perfetto accordo con l’equazione di Schrödinger.
“Questo metodo di imaging consiste nel tornare indietro sul reticolo per proiettare ogni pacchetto d’onda in un singolo pozzetto per trasformarlo di nuovo in una particella – non è più un’onda”, ha detto il coautore dello studio Tarik Yefsah, fisico presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica e l’École normale supérieure di Parigi.
“Si può vedere il nostro metodo di imaging come un modo per campionare la densità della funzione d’onda, non diversamente dai pixel di una camera CCD”.
Una fotocamera CCD è un tipo comune di fotocamera digitale che utilizza un dispositivo ad accoppiamento di carica per acquisire le proprie immagini.
Gli scienziati dicono che questa immagine è solo una semplice dimostrazione. Il loro prossimo passo sarà usarlo per studiare sistemi di atomi fortemente interagenti che sono meno ben compresi.
“Lo studio di tali sistemi potrebbe migliorare la nostra comprensione di strani stati della materia, come quelli che si trovano nel nucleo di stelle di neutroni estremamente dense, o il plasma di quark e gluoni che si ritiene sia esistito poco dopo il Big Bang”.
