Nobel 2012 per la Fisica ad David Wineland e Serge Haroche

David Wineland e Serge Haroche, due scienziati vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2012, hanno sviluppato alcuni metodi per misurare e manipolare particelle subatomiche in modo che mantengano la loro natura meccanico-quantistica. Ciò significa che, contrariamente a quanto accadeva fino a poco tempo fa, è possibile osservare il comportamento di queste particelle senza distruggerle. Anche se in questi ultimi mesi è stata la scoperta del Bosone di Higgs a catturare l’attenzione del pubblico, la scoperta dei due scienziati non è passata inosservata.

Nella motivazione del Nobel, resa nota dall’Accademia Reale Svedese, si evince come gli scienziati abbiano “aperto le porte a una nuova era di sperimentazione con la fisica quantistica, dimostrando l’osservazione diretta delle singole particelle quantistiche senza distruggerle. I loro metodi innovativi hanno permesso a questo settore di ricerca di fare i primi passi verso la costruzione di un nuovo tipo di super computer veloce basato sulla fisica quantistica. La ricerca ha portato anche alla costruzione di orologi estremamente precisi che potrebbero diventare una base futura per la creazione di un nuovo standard di tempo”. Cerchiamo di capire meglio la portata teorica del lavoro dei due scienziati.

Cosa vuol dire osservare una particella come un fotone senza distruggerla?
È noto che quando si entra nel dominio subatomico le regole della fisica classica cessano di valere. Da Heisemberg in poi siamo abituati a pensare che non solo l’osservazione di una particella ne “condiziona” in qualche modo lo stato, ma a seguito degli esperimenti con gli acceleratori sembra impossibile ricavare informazioni su particelle “ancora in vita”. Più in dettaglio, le singole particelle perdono le loro proprietà quantistiche appena interagiscono con l’ambiente e non sono facilmente isolabili da esso. Di conseguenza, molti fenomeni apparentemente bizzarri previsti dalla fisica quantistica, fino ad oggi, non potevano essere osservati direttamente.

L’importanza delle ricerche dei due vincitori del Nobel può essere misurata in direzioni diverse e complementari.
L’americano David Wineland dirige due gruppi di ricerca, uno al National Institute of Standards and Technology (NIST) e uno all’Università del Colorado a Boulder. Studioso di ottica, delle proprietà della luce e della materia, ha condotto ricerche sulle interazioni tra sistemi fisici microscopici e la materia. È noto per aver sviluppato trappole per atomi elettricamente carichi, o ioni, controllati poi con fotoni.

Una trappola ionica è, grossomodo, una piccola camera a vuoto contenente quattro elettrodi a radiofrequenza (107 Hertz). Negli ultimi due decenni sono stati condotti esperimenti di varie tipologie; ne riassumiamo qui uno in modo da dare un’idea generale del meccanismo.

In ciascuna trappola, sotto l’influenza di questi campi elettrici, uno ione (ossia un atomo elettricamente carico), dopo essere stato raffreddato a temperature molto basse, viene intrappolato nel centro della trappola. Isolato dal resto dell’ambiente, lo ione ‘fluttuante’ può rimanere lì per ore. Se molti ioni diversi vengono convogliati nella trappola, si forma un aggregato, o modello strutturato, la cui configurazione dipende dalla capacità di repulsione reciproca degli ioni.

Alcune di queste trappole sono costruite utilizzando una combinazione di campi elettrici statici ed oscillanti. Ci sono trappole in cui viene catturato un solo ione, ma anche trappole lineari in cui sono distribuiti più ioni su una stessa linea. Uno ione intrappolato ha un movimento oscillante e può essere quantizzato a bassa temperatura. Ha pertanto due serie di livelli quantizzati: modi vibrazionali che caratterizzano il moto in trappola (chiamato anche stati esterni) e livelli elettronici che descrivono lo stato interno quantico dello ione. Lo stato di ciascuno ione può essere osservato attraverso transizioni ottiche che portano ad una forte dispersione della luce allorché viene eccitato da un laser. Ciò implica che lo stato interno dello ione può essere determinato osservando salti quantici. Non solo. La tecnica consiste nell’eccitare lo ione, aumentando l’energia interna e diminuendo l’energia vibrazionale. Questo viene fatto con una stretta banda laser con frequenza ω0 – ων, dove ων rappresenta l’intervallo di frequenza tra due modi vibrazionali della trappola e ω0 è la frequenza atomica, cioè la differenza di frequenza tra due livelli elettronici dello ione. Ciascuno ione eccitato decade preferenzialmente verso uno stato con lo stesso numero quantico vibrazionale ν. Con questa tecnica si possono misurare i gradi di libertà dei singoli ioni e catturarne il comportamento da uno stato quantico all’altro.

Il francese Serge Haroche insegna fisica quantistica al College de France. Ha seguito un approccio complementare a quello adottato da David Wineland controllando e misurando fotoni intrappolati in un gabbia di atomi. E’ da anni impegnato negli studi sulla teoria della decoerenza quantistica (o desincronizzazione delle funzioni d’onda), che studia l’interazione tra i sistemi quantistici e l’ambiente esterno, fornendo un’interpretazione della fisica quantistica lontano dai concetti classici.

La teoria della decoerenza quantistica (proposta per la prima volta nel 1970 da Heinz-Dieter Zeh e sviluppata poi da Wojciech Zurek) afferma che il passaggio dalla sovrapposizione di stati, descritti nell’equazione della funzione d’onda, all’unico stato osservabile dopo la misura, avviene per gradi ad opera dell’interazione con l’ambiente (per ambiente si intende qualsiasi cosa, da una particella di passaggio al microscopio dello scienziato che lavora in laboratorio). Finché un sistema rimane isolato è possibile il mantenimento della superposizione: in esso, infatti, tutti gli stati sono coerenti tra loro. Al contrario, negli oggetti macroscopici questo è impossibile; i vari stati diventano rapidamente incoerenti e si ha il passaggio dalla realtà quantistica a quella classica.

Più il sistema è complesso e più la decoerenza è veloce. In questo caso entra in gioco il noto paradosso del gatto di Schrödinger. Un gatto va in decoerenza in un tempo infinitesimale; per questo non è osservabile la sovrapposizione di stati (che resta solo teoricamente possibile) tra il “gatto vivo” e il “gatto morto”. Nel 1996, proprio partendo da questi presupposti, Serge Haroche e i suoi collaboratori sono riusciti ad osservare la decoerenza di atomi di rubidio interagenti con fotoni. In pratica hanno potuto “filmare” il progressivo passaggio dal comportamento quantistico al comportamento classico.

Ora, che lezione possiamo trarre da queste evidenze sperimentali? Le sfide più importanti sembrano configurarsi in campo tecnologico, con la costruzione di orologi ottici e computer quantistici. Sul piano teorico si può, forse, indicare sotto l’etichetta dell’interscambio tra microcosmo e macrocosmo le aspettative più importanti in questo campo.