29 luglio 2014

Lo Stregatto quantistico è diventato realtà

Ottenuta la prima prova sperimentale di un fenomeno paradossale della meccanica quantistica noto come il gatto del Cheshire, in cui la massa di una particella viene separata dalle proprietà fisiche della particelle stessa, previsto per via teorica solo un anno fa. Il risultato è importante non solo perché migliora le conoscenze delle leggi che descrivono il mondo di quanti, ma anche perché potrebbe consentire progressi nel campo della metrologia e nell'applicazione della fisica quantistica all'information technology(red)

Il gatto del Cheshire è un personaggio del romanzo Alice nel paese delle meraviglie, conosciuto anche come Stregatto. Tra le altre caratteristiche, la fantasia dell'autore Lewis Carroll lo dotò della capacità di scomparire, lasciandone però visibile il sorriso. In uno studio teorico del 2013, un gruppo di fisici inventò il gatto del Cheshire quantistico, un soprannome, che come il più famoso gatto di Schroedinger, serve a illustrare in modo semplice uno dei paradossi della meccanica quantistica. In questo caso, si tratta di un qualunque oggetto del mondo microscopico che ha la sua posizione della massa separata spazialmente da una o più sue proprietà fisiche.

In uno studio pubblicato sull'ultimo numero di "Nature Communications”, Tobias Denkmayr della Vienna University of Technology e colleghi riferiscono di aver trovato la prima conferma sperimentale del gatto del Cheshire quantistico, grazie a una tecnica denominata interferometria a neutroni.

Lo Stregatto quantistico è diventato realtà
Alice e il gatto del Cheshire, in un'illustrazione di Alice nel paese delle meraviglie di John Tenniel. Carroll si è ispirato a un'iconografia di un gatto sorridente. In un passo del racconto, Alice esclama: "Avevo già visto un gatto senza sorriso, ma mai un sorriso senza gatto!". (© Lebrecht Music & Arts/Corbis)
Nell'apparato sperimentale dello studio, un fascio di neutroni è separato in due sottofasci, che si differenziano l'uno dall'altro per il loro stato di spin: nel primo fascio, i neutroni hanno spin orientato in direzione parallela a quella di propagazione; nel secondo, hanno direzione opposta. I due sottofasci vengono forzati a seguire due cammini diversi all'interno dell'interferometro e poi vengono ricombinati. Dopo la ricombinazione, il fascio attraversa un filtro che lascia passare solo i neutroni con spin parallelo alla direzione di moto, e poi inviato al rivelatore.

“Questo processo è denominato post-selezione” spiega Hermann Geppert, coautore dello studio. “Con questa tecnica, si ottiene un fascio contenente neutroni con entrambe le direzioni di spin, ma solo
quelli con spin parallelo al moto vengono rivelati”.

Se ci si attiene alle indicazioni del rivelatore, dunque, è come se fossero presenti solo i neutroni del primo sottofascio. Come prevedibile, se si mette un filtro in grado di assorbire una piccola parte dei neutroni nel primo sottofascio il rivelatore finale ne conta di meno; mentre se il filtro stesso viene messo a intercettare il secondo sottofascio, il rivelatore non mostra differenze.

Se invece si interviene con un magnete a modificare leggermente la direzione di spin dei neutroni nei due sottofasci, si verifica una fenomeno paradossale: lo spin dei neutroni del fascio finale, lo stesso che entra nel rivelatore, si modifica solo se il sottofascio influenzato dal magnete è il secondo, quello che non ha influenza sul conteggio dei neutroni finali.

“Preparando i neutroni in questo speciale stato iniziale ed effettuando poi la post-selezione, è possibile arrivare a una situazione in cui entrambi i cammini nell'interferometro sono importanti, ma in modi tra lo molto differenti”, commenta Denkmayr. “Il sistema si comporta come se le particelle fossero separate spazialmente dal loro spin”.

Ecco allora che si manifesta il gatto del Cheshire quantistico: il gatto ha percorso il primo tragitto, mentre il suo sorriso si è separato dal corpo per propagarsi lungo il secondo tragitto, e ricongiungersi al corpo nella parte finale.

Il risultato è importante perché, oltre a dimostrare un fenomeno fondamentale e finora sconosciuto della meccanica quantistica, consentirebbe in linea di principio di migliorare alcune misurazioni quantistiche sia in metrologia sia nel campo dell'applicazione della fisica quantistica all'information technology.