Studio: Un singolo atomo come sonda di misura utilizza per la prima volta informazioni quantistiche

Prof. Dr. Artur Widera. (Foto: Koziel/TUK)

I sensori rilevano parametri specifici come temperatura e pressione dell'aria nell'ambiente circostante. I fisici di Kaiserslautern sono riusciti, per la prima volta insieme a un collega di Hannover, a usare un singolo atomo di Cesio come sensore per temperature ultrafredde. Per determinare i dati di misurazione, utilizzano gli stati quantistici, la rotazione o anche il momento angolare intrinseco dell'atomo, chiamato anche spin proprio. Con questo metodo hanno misurato la temperatura di un gas ultrafreddo e il campo magnetico. Il sistema si distingue per un'eccezionale sensibilità. Tali sensori potrebbero essere impiegati in futuro, ad esempio, per studiare sistemi quantistici senza disturbi. Il lavoro è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica "Physical Review X".

Nei loro esperimenti, gli scienziati guidati dal Professor Dr. Artur Widera, che si occupa di sistemi quantistici, osservano singoli atomi di Cesio in un gas di Rubidio, raffreddato fino quasi al punto zero assoluto — la temperatura è qui di appena un miliardesimo di grado sopra questo punto zero. Nel loro studio attuale, hanno indagato se gli stati di spin dell'atomo di Cesio possano essere utilizzati per ottenere informazioni. "Per spin si intende il momento angolare intrinseco di un atomo", spiega il Professor Widera dell'Università Tecnica di Kaiserslautern (TUK). "Nel Cesio ci sono sette possibilità diverse per questo spin." Il focus degli esperimenti era la temperatura del gas.

Quando l'atomo di Cesio viene inserito nel gas di Rubidio, gli atomi di Rubidio collidono con esso. "Durante queste collisioni, il momento angolare può essere scambiato tra gli atomi, fino a raggiungere un equilibrio degli spin", spiega il Dr. Quentin Bouton, scienziato principale e primo autore dello studio. I ricercatori misurano lo spin dell'atomo singolo e, in questo modo, determinano la temperatura. La validità di questo metodo è dimostrata dal confronto con metodi di misurazione tradizionali, che forniscono lo stesso valore di temperatura.

La caratteristica speciale dello studio è stata l'alta sensibilità della misurazione. In una misurazione tipica, il sensore viene messo in contatto con il gas freddo e si aspetta che si stabilisca un equilibrio. "Per i sensori quantistici, esiste in equilibrio un limite fondamentale di sensibilità. Tuttavia, abbiamo già considerato in anticipo le interazioni tra Cesio e Rubidio, così da non dover aspettare che l'atomo raggiunga l'equilibrio con il gas di Rubidio", prosegue Bouton. Di conseguenza, il sistema di misurazione dei ricercatori di Kaiserslautern ha una sensibilità circa dieci volte superiore a quella richiesta dal limite quantistico fondamentale. "Abbiamo bisogno di solo tre rotazioni di spin, cioè tre collisioni atomiche, per ottenere un risultato", aggiunge Bouton. In questo modo, anche il disturbo del gas di Rubidio è limitato a sole tre quanti. Questo rappresenta un passo importante verso una misurazione il più possibile a basso disturbo di sistemi quantistici sensibili, che sono di interesse per future applicazioni nella tecnologia quantistica.

"Per la prima volta abbiamo usato un singolo atomo come sensore, che sfrutta le informazioni quantistiche e funziona molto meglio di un sensore classico", sottolinea Widera. I fisici hanno condotto anche esperimenti con campi magnetici, rilevando gli stati magnetici. Il loro sistema, come sensore molto sensibile, è adatto ad esempio per studiare sistemi quantistici fragili quasi senza distruggerli.

Oltre al gruppo di lavoro del Professor Widera, ha partecipato allo studio anche il Professor Dr. Eberhard Tiemann di Hannover. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica Physical Review X: "Sonde Quantistiche a Singolo Atomo per Gas Ultracaldi Potenziate dalla Dinamica di Spin Fuori dall'Equilibrio"
DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011018

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Prof. Dr. Artur Widera
Dipartimento di Sistemi Quantistici Individuali
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4130