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Il fattore "Q" nella meccanica quantistica

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Tutto si muove! Ma in un mondo dominato da dispositivi elettronici è facile dimenticare che tutte le misurazioni prevedono il movimento, che sia il moto di elettroni attraverso un transistor o il semplice spostamento di un elemento meccanico. Una nuova ricerca finanziata dall'UE suggerisce che la meccanica quantica potrebbe avere la risposta su quando il moto si esaurirà.

Ricercatori dell'Università di Vienna in Austria e della Tecnische Universität München in Germania hanno riportato i loro risultati, che risolveranno un annoso problema nella progettazione di risonatori micro- e nanoelettromeccanici, sulla rivista Nature Communications.

Oggi i risonatori micro- e nanoelettromeccanici sono usati in modi simili ai primi rilevatori di forza, ma con una forza molto più grande - che adesso si spinge nel campo degli zeptonewton (10-21 N). All'interno della gamma di applicazioni che sono diventate possibili ci sono le misurazioni delle forze tra le molecole e le forze che provengono dalla risonanza magnetica di elettroni.

Il futuro per i dispositivi meccanici piccolissimi sembra roseo, anche se alcune delle loro applicazioni più interessanti rimangono strettamente nel campo della ricerca fondamentale. Sebbene tali sensori siano governati dalla fisica classica, l'impronta dei fenomeni quantici su di essi è chiaramente visibile in laboratorio.

Ma adesso è possibile, e forse più interessante, considerare le fluttuazioni quantiche intrinseche - quelle che appartengono al dispositivo meccanico stesso. Quali sono le condizioni necessarie per osservarli e cosa possiamo imparare incontrandole? Qui entra in gioco questo recente studio che ha esaminato la minimizzazione della dissipazione di energia.

Nello specifico quando le corde di uno strumento musicale come una chitarra vengono pizzicate, le vibrazioni creano onde acustiche che noi sentiamo in forma di suono. La purezza del tono emesso è intimamente collegata al decadimento dell'ampiezza della vibrazione; cioè la perdita di energia meccanica ("Q") del sistema.

Maggiore è la qualità del fattore "Q", più è puro il tono e più è lungo il tempo durante il quale il sistema vibrerà prima che il suono si esaurisca. Fino ad ora però era una sfida fare previsioni numeriche precise del "Q" ottenibile anche per geometrie piuttosto semplici.

Il team di ricerca ha sviluppato un solutore numerico basato su elemento finito in grado di prevedere lo smorzamento limitato dal design di risonatori meccanici quasi arbitrari per risolvere questo problema.

"Calcoliamo come eccitazioni meccaniche elementari, o fononi, si irradiano dal risonatore meccanico nei supporti del dispositivo", dice Garrett Cole, ricercatore anziano del gruppo Aspelmeyer presso l'Università di Vienna.

L'idea si ricollega a un lavoro precedente di Ignacio Wilson-Rae, un fisico della Technische Universität München. In collaborazione con il gruppo di Vienna, il team ha trovato una soluzione numerica per calcolare questa radiazione in modo semplice e che funziona su tutti i PC (personal computer) standard.

Il potere predittivo del Q-solutore numerico elimina qualsiasi supposizione (come per esempio la fabbricazione di esperimenti o prototipi di errore) attualmente coinvolta nella progettazione di strutture meccaniche risonanti. I ricercatori sottolineano che questo è indipendente dalla scala e può essere applicato da dispositivi in nanoscala fino a sistemi macroscopici.

Lo studio è stato finanziato in parte dai seguenti progetti UE: MINOS ("Micro- and nano-optomechanical systems for ICT and QPIC"); QESSENCE ("Quantum interfaces, sensors and communication based on Entanglement"); IQOS ("Integrated quantum optomechanical systems"); e QOM ("Quantum optomechanics: quantum foundations and quantum information on the micro- and nanoscale")

Sia MINOS che QESSENCE sono sostenuti nell'ambito del tema "Tecnologie dell'informazione e della comunicazione" del Settimo programma quadro (7° PQ) con 2,27 Mio EUR e 4,7 Mio EUR rispettivamente. IQOS ha ricevuto una borsa internazionale Marie Curie di accoglienza del valore di 171,412 EUR nell'ambito del 7° PQ e QOM ha ricevuto un contributo iniziale del Consiglio europeo della ricerca del valore di 1,67 Mio EUR.
 

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