Un canale quantistico fatto di luce

Due contenitori di gas collegati da un tubo sono il punto di partenza delle considerazioni dei fisici dell'ETH Institute of Quantum Electronics. Poiché in un contenitore c'è una quantità di gas leggermente superiore a quella dell'altro, le particelle fluiscono attraverso il tubo da un punto all'altro. "Ora ci chiediamo come cambia la conduttività quando rendiamo il collegamento sempre più piccolo", spiega il professore di fisica Tilman Esslinger. All'inizio, la conduttività diventa semplicemente sempre più piccola, ma poi si raggiunge un punto in cui accade qualcosa di sorprendente: da questo punto in poi, la conduttività cambia solo a gradini, con l'altezza del gradino data dalla cosiddetta costante di Planck - "un effetto quantistico diretto", dice Esslinger.

Finora, questo fenomeno quantistico poteva essere misurato solo in alcuni sistemi elettronici, ad esempio nei cosiddetti contatti dei punti quantici in speciali strutture di semiconduttori. "Tuttavia, ora abbiamo osservato per la prima volta tali quantificazioni della conduttività nella materia neutra, cioè non carica", spiega Esslinger. "Questo è un risultato che si adatta anche ai libri di testo di fisica quantistica".

Questa ricerca fondamentale, sostenuta dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica e dall'Unione Europea, può anche contribuire alla costruzione della prossima generazione di dispositivi elettronici. Nei loro esperimenti, i fisici dell'ETH saranno in grado di studiare effetti che non possono ancora essere raggiunti con i sistemi elettronici conosciuti.

Raffreddamento a quasi zero

Il gruppo di Tilman Esslinger lavora con atomi ultrafreddi. Nell'esperimento, di cui i ricercatori hanno dato notizia sulla rivista scientifica "Nature", il gas in esame è costituito da atomi di litio la cui temperatura è di soli 35 miliardesimi di grado superiore allo zero assoluto. "Il raffreddamento è il nostro lavoro principale in laboratorio", spiega il dottor Jean-Philippe Brantut, borsista Ambizione del Fondo Nazionale Svizzero presso l'Istituto di Elettronica Quantistica. "Se gli atomi di litio vengono raffreddati fino a questo punto, si comportano in modo simile agli elettroni in un solido, anche se, a differenza degli elettroni, non sono carichi".

Il fulcro del complicato set-up sperimentale è una cella di vetro sotto vuoto spinto con due microscopi ad altissima risoluzione. Il gas di litio si trova tra i microscopi sotto forma di una nube a forma di sigaro con un diametro di circa 300 micrometri. Un raggio laser divide questa nuvola in due serbatoi, collegati da uno stretto canale bidimensionale. Una maschera prodotta litograficamente viene illuminata da un secondo fascio laser e riprodotta sul canale in miniatura utilizzando un sistema di proiezione composto da un obiettivo e un microscopio. In questo modo si crea un contatto tra i punti quantici con una larghezza di poco superiore a un micrometro, come mostra la misurazione con il secondo microscopio.

Un flusso minuscolo richiede un sistema stabile

Questa struttura è abbastanza stretta da poter applicare le leggi della meccanica quantistica. Ciò significa che, mentre gli atomi scorrono attraverso il canale, la conduttività non cambia in modo continuo, ma a passi dati dal quanto d'azione di Planck, una costante fondamentale della natura. Questo è esattamente ciò che ha osservato il gruppo di ricerca. Nel canale sono presenti dieci atomi alla volta, spiega Brantut. Per visualizzare il minuscolo flusso associato, il canale deve essere aperto fino a quando non sono passati circa mille atomi. Questo avviene dopo un secondo e mezzo, un tempo molto lungo per esperimenti di questo tipo. "L'esperimento funziona solo se gli atomi sono molto fermi, cioè molto freddi, e tutto rimane stabile", spiega la fisica.

Gli atomi passano attraverso il set-up sperimentale come piccoli proiettili senza essere deviati dalle collisioni. La fisica parla quindi di un sistema balistico. In futuro, l'obiettivo è sviluppare transistor balistici in cui la resistenza elettrica sia particolarmente bassa. Gli esperimenti con atomi neutri e luce laser potrebbero essere d'aiuto in questo senso. Infatti, consentono di analizzare sistematicamente i modelli teorici e di confrontarli direttamente, cosa che spesso non è possibile con i sistemi elettronici perché il materiale corrispondente non può ancora essere prodotto. "Finora abbiamo misurato ciò che ci si aspettava in base alla teoria", afferma Jean-Philippe Brantut, "Ora stiamo entrando in un territorio sconosciuto".