Rappresentazione grafica dello strumento. Credits: Marco Bellini (Cnr-Ino)
Lo strumento sfrutta il fenomeno della levitazione ottica per “intrappolare” con la luce al suo interno nanosfere di vetro grazie alle quali è possibile osservare contemporaneamente fenomeni propri sia della fisica classica sia della fisica quantistica, esplorando dal punto di vista sperimentale il sottile confine tra questi due mondi. Lo studio, pubblicato sulla rivista scientifica Optica, è frutto della sinergia interna al partenariato esteso in Tecnologie Quantistiche (NQSTI), tra Università degli studi di Firenze, Istituto nazionale di Ottica del Cnr, Laboratorio Lens e INFN
In un articolo pubblicato nella rivista scientifica Optica è descritto lo sviluppo di una nuova apparecchiatura sperimentale che esplora il confine tra fisica classica e fisica quantistica, consentendo di osservare e indagare, contemporaneamente, fenomeni propri di entrambi i mondi. Lo strumento è stato messo a punto a Firenze ed è frutto della collaborazione, interna al partenariato esteso “National Quantum Science and Technology Institute” (NQSTI), del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università degli studi di Firenze, dell’Istituto nazionale di Ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ino), sostenuta anche dal Laboratorio Europeo di Spettroscopia non lineare (LENS), e dalla sezione di Firenze dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN).
E’ noto che lo studio della materia, a mano a mano che si procede su dimensioni sempre più ridotte, mostra comportamenti radicalmente diversi da quelli che osserviamo su scala macroscopica: è qui che entra in gioco la fisica quantistica, che aiuta a comprendere le proprietà della materia nel mondo dell’infinitamente piccolo. Se fino ad oggi tali fenomeni sono stati indagati separatamente, lo strumento realizzato oggi dai ricercatori del Cnr-Ino permette di esplorare dal punto di vista sperimentale il comportamento della materia da entrambi i punti di vista.
Il dispositivo sfrutta il fenomeno della levitazione di nano-oggetti dentro un fascio laser fortemente focalizzato, cioè la sorprendente capacità della luce di “intrappolare” singole particelle di dimensioni microscopiche, già osservata a partire dagli anni ‘80 e perfezionata, in particolare, dal fisico statunitense Arthur Ashkin, premiato nel 2018 con il Nobel per la Fisica.
Il team italiano, guidato da Francesco Marin (Università degli studi di Firenze e Cnr-Ino), ha utilizzato tale tecnica per intrappolare contemporaneamente, sfruttando fasci di luce di colori diversi, una coppia nanosfere di vetro: queste, all’interno della trappola ottica, oscillano intorno al proprio punto di equilibrio con frequenze ben specifiche, così permettendo di osservare sia comportamenti “classici” che “quantistici”, quest’ultimi spesso decisamente contro-intuitivi.
“Questi nano-oscillatori sono fra i rari sistemi nei quali riusciamo ad indagare il comportamento di oggetti macroscopici in maniera estremamente controllata”, afferma Marin. “Le sfere sono cariche elettricamente ed interagiscono tra loro, in modo che la traiettoria seguita da una sfera è fortemente dipendente dall’altra. Questo apre la strada verso lo studio di nano-sistemi collettivamente interagenti sia nel regime classico che in quello quantistico, così da esplorare sperimentalmente il sottile confine tra questi due mondi”.
Lo studio è reso possibile anche grazie al sostegno di due iniziative finanziate dal Ministero dell’Università e della Ricerca con fondi dell’Unione Europea nell’ambito del programma #NextGenerationEU (PNRR – Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza) : il partenariato “National Quantum Science and Technology Institute” (NQSTI) e l’infrastruttura “Integrated Infrastructure Initiative in Photonic and Quantum Science” (IPHOQS).
NQSTI unisce le principali istituzioni italiane che svolgono ricerca competitiva e innovativa nell’ambito delle scienze e tecnologie quantistiche, con l’obiettivo di stimolare la futura innovazione industriale in questo campo: a tale fine può contare su finanziamento complessivo di 116 milioni di euro in tre anni.
I-PHOQS mette in connessione strutture di eccellenza nei settori strategici della fotonica, delle nanotecnologie e delle tecnologie quantistiche: con un finanziamento complessivo di 50 milioni di euro in tre anni. Sono Enti proponenti il Consiglio nazionale delle ricerche e il Politecnico di Milano.
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