Particelle e onde, due facce della stessa medaglia nell’universo che ci circonda, rappresentano una sfida costante al nostro modo di concepire la realtà, assumendo un’importanza cruciale nel contesto quantistico.
La dualità onda-particella, oggetto di studio da oltre un secolo attraverso una vasta gamma di esperimenti, ha recentemente raggiunto un nuovo traguardo: è stata immortalata su pellicola. In un’immagine senza precedenti, i ricercatori sono riusciti a catturare il momento preciso in cui singoli atomi iniziano a comportarsi come pacchetti d’onda, i cui risultati sono stati presentati in un articolo pre-print in attesa di revisione tra pari.
Le equazioni che regolano questo fenomeno sono ben note fin dai primi giorni della meccanica quantistica, consentendo al team di ricerca di prevedere con precisione l’evoluzione del sistema. La vera sfida è stata rappresentata dalla tecnica di imaging impiegata.
Parlando con IFLScience, i ricercatori coinvolti nell’articolo – il dott. Tarik Yefsah, Joris Verstraten, il dott. Tim de Jong e il dott. Bruno Peaudecerf – hanno paragonato le loro metodologie di imaging ai pixel di una comune fotocamera digitale.
Per ottenere l’immagine, gli atomi di litio vengono inizialmente raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto mediante l’uso di laser e intrappolati in una griglia ottica. Dopo un periodo di tempo sufficiente, gli atomi si trasformano in pacchetti d’onda localizzati.
Questo approccio potrebbe aprire nuove prospettive nella comprensione di stati di materia estremi, come le stelle di neutroni ultradense o il plasma di particelle elementari riscontrato poco dopo il Big Bang.
Successivamente, la griglia ottica viene disattivata, consentendo all’onda atomica di espandersi prima di essere riattivata, riportando il pacchetto allo stato di particella. Durante questo processo, l’atomo intrappolato emette fluorescenza, che può essere rilevata dal sistema di microscopia.
Il metodo viene ripetuto numerose volte per consentire ai ricercatori di campionare l’intera densità della funzione d’onda, offrendo così una visione dettagliata del fenomeno.
I pacchetti d’onda rappresentano una delle manifestazioni più basilari della dualità onda-particella, tuttavia, sorprendentemente, sono stati oggetto di pochi esperimenti dedicati all’espansione diretta di un singolo pacchetto d’onda con una buona risoluzione, come evidenziato dagli autori intervistati da IFLScience.
Inoltre, poiché il comportamento di tali pacchetti è ben compreso, costituiscono un ottimo banco di prova per valutare l’efficacia della tecnica di microscopia sviluppata, garantendo che l’immagine ottenuta non introduca distorsioni significative.
La scelta di una configurazione teoricamente ben compresa ha contribuito a dimostrare la solidità di questa tecnica nel fornire rappresentazioni accurate dei fenomeni quantistici, senza influenzarli in modo significativo.
Nel campo della meccanica quantistica, l’osservatore è parte integrante dell’esperimento, sottolineando l’importanza di una metodologia di imaging accurata e non invasiva.
Il prossimo passo prevede l’applicazione di questa tecnica a stati di materia meno compresi, come i sistemi fermionici fortemente interagenti, al fine di esplorarne direttamente le proprietà microscopiche.
Questo approccio potrebbe contribuire significativamente alla nostra comprensione di fenomeni complessi, come le stelle di neutroni ultradense o il plasma di particelle elementari riscontrato poco dopo il Big Bang.
L’articolo che documenta queste osservazioni è disponibile sul server pre-print ArXiv, rappresentando un importante contributo alla ricerca nel campo della fisica quantistica.
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