Studio: Inquinamento atomico simile a quello delle pietre preziose funge da memoria di informazione quantistica

I due fisici Professor Dr. Artur Widera (a destra) e il suo dottorando Felix Schmidt stanno studiando ... (Foto: TUK/Koziel)

Per i colori delle pietre preziose o la capacità di prestazione dei moderni semiconduttori, le impurità nei materiali sono responsabili. Lo stesso vale per i sistemi quantistici, dove però è poco studiato. Per la prima volta, i fisici di Kaiserslautern sono riusciti a introdurre controllatamente singole impurità di atomi di cesio in un gas quantistico ultrafreddo di atomi di rubidio. Hanno osservato come le impurità scambiassero eccitazioni quantistiche (spin) con il gas. Inoltre, hanno dimostrato che gli atomi di cesio possono memorizzare informazioni quantistiche. Finora ciò non era possibile. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista specializzata "Physical Review Letters".

Impurità di singoli atomi come nei diamanti si trovano anche in altri materiali e sostanze. Anche in fisica quantistica sono responsabili di vari effetti e quindi interessanti per gli esperimenti. Alla TUK, i fisici sotto la guida del Professor Dr. Artur Widera e del suo dottorando Felix Schmidt hanno osservato per la prima volta come si comportano tali impurità in un condensato di Bose-Einstein di atomi di rubidio. "In fisica, si definisce stato di materia, comparabile a stati liquidi e gassosi, un condensato di questo tipo. Tuttavia, un tale condensato è uno stato quantistico perfetto che si comporta come un'onda", spiega il Professor Widera, che dirige il dipartimento di Sistemi Quantistici Individuali. Per i fisici, il condensato di Bose-Einstein è un modello popolare per studiare effetti quantistici – simile al modo in cui la mosca della frutta Drosophila viene usata in biologia e medicina come organismo modello per rispondere a domande genetiche.

Nel loro studio attuale, i fisici di Kaiserslautern hanno esaminato un'analoga impurità in un gas quantistico. Lo raffreddano a temperature vicine allo zero assoluto di -273,15°C. "In questo modo, possiamo controllare un sistema quantistico", afferma il primo autore Felix Schmidt. Come impurità, i ricercatori hanno usato atomi di cesio. Su circa 10.000 atomi di rubidio, sono stati introdotti da cinque a dieci atomi di cesio. "Il sistema può essere studiato sotto un microscopio. Il gas ultrafreddo ha una dimensione di dieci micrometri", prosegue il dottorando. In questo modo, i ricercatori hanno localizzato singole impurità e osservato come cambiano la loro struttura, il cosiddetto spin, attraverso l'interazione con il gas quantistico. "Finora, non era possibile osservare singoli atomi in un tale gas. Siamo felici che ci sia riuscito nell'esperimento", dice Schmidt.

Inoltre, i ricercatori hanno verificato se gli atomi di cesio possano essere usati come memoria di informazioni e contemporaneamente raffreddati nel gas quantistico. "Per memorizzare informazioni, lo stato elettronico degli atomi deve rimanere stabile", spiega Widera. "Poiché nel condensato si verificano interazioni con altri atomi, c'è il rischio che possano perdere le informazioni sensibili a causa di perturbazioni." Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a raffreddare fortemente gli atomi nel gas quantistico senza perdere informazioni quantistiche.

"Il modello di impurità singole in un gas ultrafreddo realizza un paradigma della fisica quantistica", afferma il Professor Widera. "Può essere usato come punto di partenza per una vasta gamma di altri esperimenti quantistici." In particolare, le scoperte dei ricercatori di Kaiserslautern aiutano a capire meglio cosa accade a livello quantistico. Questo potrebbe, ad esempio, giocare un ruolo in futuro per comprendere i superconduttori e sviluppare nuovi materiali. I superconduttori potrebbero trasportare corrente senza grandi perdite di energia su lunghe distanze a temperatura ambiente. Finora, ciò è possibile solo a temperature ben sotto il punto di congelamento.

Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista "Physical Review Letters": "Quantum spin dynamics of individual neutral impurities coupled to a Bose-Einstein condensate." Felix Schmidt, Daniel Mayer, Quentin Bouton, Daniel Adam, Tobias Lausch, Nicolas Spethmann e Artur Widera. Phys. Rev. Lett. 121, 130403

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.130403

Widera e il suo dottorando Felix Schmidt si occupano di sistemi quantistici. I fisici collaborano anche con il centro di ricerca statale di Ottica e Scienze dei Materiali (OPTIMAS) in modo interdisciplinare con gruppi di lavoro di chimica, ingegneria meccanica e tecnologia dei processi, nonché di ingegneria elettrica e informatica, per tradurre le basi teoriche in applicazioni.