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Un salto quantistico del suono, osservato mentre accade e non ricostruito a posteriori: è quello che ha misurato un gruppo della Stanford University guidato dal fisico Amir Safavi-Naeini, riuscendo a seguire in tempo reale il momento in cui una vibrazione meccanica perde il suo ultimo pacchetto di energia. Detta così sembra una questione di lana caprina, invece tocca uno dei punti più scivolosi della fisica moderna, cioè il confine tra quello che percepiamo come continuo e quello che, sotto sotto, procede a scatti.
Il punto di partenza è un’esperienza comune. Quando una campana viene fatta vibrare, il suono sembra svanire piano, come una dissolvenza. A livello quantistico però quella perdita di energia non è affatto una discesa morbida, ma una scaletta fatta di piccoli gradini. Ogni gradino corrisponde a un fonone, cioè il quanto associato alle vibrazioni meccaniche, quello che semplificando parecchio si può descrivere come la particella del suono.
Un diapason grande quanto un chip
Per arrivare a vedere questi gradini i ricercatori hanno costruito un risonatore meccanico minuscolo, di dimensioni compatibili con un chip. Il modo più immediato per capire come funziona è pensarlo come un diapason in miniatura: viene eccitato, comincia a vibrare e poi perde energia poco alla volta, fino a fermarsi. La differenza rispetto al diapason vero è tutta nella scala, perché qui il gioco si svolge in un regime dove le regole quantistiche non sono una correzione di secondo ordine ma il cuore del fenomeno.
La parte davvero interessante riguarda la durata. Il risonatore trattiene l’energia per circa 2 millisecondi, un tempo che a prima vista sembra irrisorio. Alle scale dell’esperimento però significa qualcosa di completamente diverso, e secondo i ricercatori equivale a osservare un diapason che continua a vibrare per ore. È questa lentezza relativa a rendere possibile tutto il resto, perché dà il tempo materiale di guardare il sistema mentre cambia stato invece di accorgersene quando ormai è finita.
Centinaia di misurazioni su qualcosa di fragilissimo
Quei 2 millisecondi hanno permesso di accumulare centinaia di misurazioni e di cogliere il passaggio dallo stato con un fonone allo stato senza fononi. Un salto netto, non una discesa graduale. Ed è esattamente il tipo di comportamento che la teoria quantistica descrive da decenni, ma che nel dominio delle vibrazioni meccaniche resta difficilissimo da fotografare mentre si verifica.
Resta il problema più spinoso di tutti, quello che chiunque si sia avvicinato alla meccanica quantistica conosce almeno per sentito dire. Osservare un sistema quantistico significa interagirci, e interagirci spesso vuol dire alterarlo o distruggerlo del tutto. La sfida tecnica dell’esperimento sta proprio lì: riuscire a seguire un oggetto tanto delicato senza cancellare l’informazione che si sta cercando di raccogliere.
Il lavoro del gruppo di Stanford University si inserisce in una traiettoria di ricerca che negli ultimi anni ha spostato l’attenzione dalle particelle di luce a quelle del suono, terreno molto meno battuto e per certi versi più ostico. I fononi hanno il vantaggio di essere legati a strutture solide e miniaturizzabili, quindi integrabili in dispositivi che somigliano ai chip che già conosciamo, e questo li rende candidati interessanti per chi lavora su piattaforme quantistiche ibride.
Vedere in diretta un salto quantistico nei fononi significa avere in mano uno strumento di misura sensibile abbastanza da cogliere il singolo evento, non la media statistica di migliaia di ripetizioni. E la differenza tra le due cose, in laboratorio, è tutt’altro che accademica: passare dal dato aggregato all’evento singolo cambia il tipo di domande che si possono fare al sistema.
Fonte: TecnoAndroid
