Per anni, gli scienziati hanno lottato per scrutare le “viscere quantistiche” degli oggetti solidi per vedere se le loro particelle sono veramente legate. Anche se possiamo manipolare le singole particelle in un vuoto controllato o in un computer quantistico, osservare l’entanglement collettivo all’interno di un pezzo fisico di materia è rimasto un obiettivo sfuggente.
Ora, un gruppo di ricerca guidato da Allen Scheie presso il Los Alamos National Laboratory ha sviluppato un metodo innovativo per misurare questo fenomeno, aprendo potenzialmente un nuovo capitolo sia nella fisica fondamentale che nello sviluppo delle tecnologie quantistiche.
La sfida di “vedere” l’entanglement
L’entanglement quantistico è un fenomeno in cui le particelle diventano così profondamente legate che lo stato di una influenza istantaneamente lo stato di un’altra, indipendentemente dalla distanza tra loro. Questa “azione spettrale” è la spina dorsale delle tecnologie future come le reti di comunicazione ultrasicure e i potenti computer quantistici.
Fino ad oggi, i ricercatori hanno utilizzato i test di Bell per confermare l’entanglement tra particelle specifiche, ma questi metodi sono difficili da applicare a interi materiali. Determinare se una sostanza solida, come un cristallo o un metallo, è permeata di entanglement è stato quasi impossibile perché la complessità del materiale spesso maschera le connessioni quantistiche.
Il metodo Neutron: un nuovo modo di sbirciare dentro
La svolta sta nell’usare i neutroni come messaggeri. Fin dagli anni ’50, i fisici sanno che sparando neutroni su un materiale e analizzando come rimbalzano o lo attraversano, possono conoscere la disposizione delle particelle al suo interno.
Scheie e il suo team hanno perfezionato questo concetto per calcolare il Quantum Fisher Information (QFI). Ecco come funziona il processo:
1. Bombardamento di neutroni: un campione di materiale viene colpito da neutroni.
2. Rilevazione: Le proprietà dei neutroni in uscita vengono raccolte da rilevatori ad alta precisione.
3. Calcolo: analizzando i dati dei neutroni, i ricercatori possono calcolare il QFI, un valore matematico che indica il numero minimo di particelle all’interno del materiale che devono essere intrecciate per produrre quel risultato specifico.
Precisione e versatilità comprovate
Il team ha testato la propria tecnica su vari materiali magnetici, tra cui un noto cristallo composto da potassio, rame e fluoro. Per garantire che il metodo fosse accurato, hanno confrontato i risultati sperimentali con le simulazioni al computer della struttura quantistica del cristallo.
“Si è verificato un accordo straordinariamente stretto tra le curve sperimentali e quelle teoriche”, ha osservato il membro del team Pontus Laurell dell’Università del Missouri.
Ciò che rende questo metodo particolarmente rivoluzionario è la sua resilienza :
– Nessun modello richiesto: A differenza dei tentativi precedenti, questa tecnica funziona anche se gli scienziati non dispongono in anticipo di un modello matematico perfetto del materiale.
– Tolleranza all’imperfezione: Rimane efficace anche quando i campioni di materiale non sono cristalli “perfetti”, il che è una realtà comune in ambienti di laboratorio.
– Applicazione universale: il team ha creato un modo affidabile e generalmente applicabile per misurare l’entanglement che può essere applicato a un’ampia varietà di nuovi materiali.
Perché questo è importante per il futuro
Questa scoperta è più di una semplice vittoria matematica; è uno strumento pratico per la prossima generazione di tecnologia. Mentre gli ingegneri cercano i migliori materiali per costruire processori e sensori quantistici, hanno bisogno di un modo per verificare se tali materiali possiedono effettivamente le proprietà quantistiche richieste per il funzionamento.
I ricercatori si stanno ora muovendo verso un territorio ancora più complesso: misurare il QFI durante le transizioni di fase. Una transizione di fase è l’equivalente quantistico della trasformazione dell’acqua in ghiaccio. In questi punti critici, i modelli teorici spesso falliscono e si prevede che l’entanglement aumenterà drasticamente. Testando qui il loro metodo, il team spera di scoprire fenomeni quantistici completamente nuovi che non sono mai stati osservati prima.
Conclusione
Utilizzando con successo la diffusione dei neutroni per misurare l’informazione quantistica di Fisher, i ricercatori hanno fornito un “termometro” affidabile per l’entanglement nei solidi. Questa svolta fornisce gli strumenti essenziali necessari per esplorare nuovi materiali e accelerare la transizione dalla fisica quantistica teorica alla tecnologia quantistica funzionale.
