Il Premio Nobel per la Fisica 2012

Chi si aspettava di veder sfilare all’Accademia di Svezia Peter Higgs è rimasto a bocca asciutta. Il premio Nobel per la Fisica 2012 se lo sono aggiudicati infatti il francese Serge Haroche e lo statunitense David J. Wineland «per aver sviluppato rivoluzionari metodi sperimentali che hanno permesso la misurazione e la manipolazione di sistemi quantistici individuali».
Nulla da fare dunque per quanti avevano scommesso sul fisico scozzese dopo la scoperta del bosone di Higgs, annunciata dagli scienziati del Cern il 4 luglio scorso. Ma chi sono gli outsider sui quali si sono posati gli occhi del comitato per il Nobel? Haroche e Wineland si occupano dell’interazione quantistica tra la luce e la materia, il primo presso i laboratori del Collège de France ed Ecole Normale Supérieure di Parigi, il secondo in quelli del National Institute of Standards and Technology (NIST) e University of Colorado Boulder. Da più di trent’anni i due scienziati, oggi sessantottenni, sviluppano metodi sperimentali per manipolare atomi e fotoni senza però alterarne le proprietà quantistiche.
 

Serge Haroche e David J. Wineland (Immagini: CNRS e NIST)


Trappole quantisitiche
Nel mondo dell’infinitamente piccolo, in cui le leggi della fisica classica cedono il passo alla meccanica quantistica, misurare fa rima con perturbare: vuol dire che se vogliamo conoscere l’energia, la posizione e lo spin di un atomo, per esempio, eseguendo una misura sperimentale non possiamo fare a meno di modificarne i valori. Prima dei lavori pioneristici di Haroce e Wineland, pensare di confinare un atomo in una certa posizione affiancandogliene magari un altro e facendo in modo che entrambi avessero la stessa energia era pura fantascienza. Per riuscire a fare cose di questo tipo i due scienziati hanno sviluppato in maniera indipendente due metodi sperimentali che hanno molto in comune. David Wineland riesce a intrappolare ioni utilizzando particolari campi elettrici e poi si avvale di impulsi laser, cioè di fotoni, per controllarli e calibrarne l’energia. Serge Haroche ha invece messo a punto un sistema che in un certo senso opera alla rovescia: riesce a confinare fotoni facendoli rimbalzare avanti e indietro tra due specchi e ne misura le proprietà sparandogli attraverso un particolare tipo di atomi, detti di Rydberg, dei quali controlla le proprietà. In pratica lo statunitense utilizza la luce per studiare le proprietà quantistiche della materia, mentre il francese sfrutta la materia per analizzare la natura quantistica della luce.
 

La trappola per ioni di David J. Wineland (Immagine: nobelprize.org)

 
Computer e orologi
Il sogno è quello di utilizzare queste trappole per costruire nell’arco di qualche decennio veri e propri computer quantistici, che si basino cioè sul controllo e la manipolazione degli stati quantistici di atomi ed elettroni. In un calcolatore simile, ogni bit potrà assumere contemporaneamente i valori di 0 e 1, moltiplicando così la capacità di eseguire operazioni e aumentando incredibilmente la velocità di trasferimento delle informazioni. Wineland è stato il primo a far funzionare una macchina di questo genere, anche se lo ha fatto con pochissimi bit e in condizioni impossibili da riprodurre al di fuori di un laboratorio di ottica quantistica.
In attesa di sconvolgere la computer science, gli ioni finiti nelle trappole di Wineland hanno già rivoluzionato le misure temporali di altissima precisione: oscillano infatti in maniera così regolare che un orologio costruito ai tempi del Big Bang, oggi, dopo 14 miliardi di anni, avrebbe solo 5 secondi di scarto.

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