Simulatori quantistici: prototipi per i materiali di domani. Cosa sono?

12.04.2021 – 09.00 – La meccanica quantistica, seppur sfuggente e celata alla nostra percezione, è alla base del funzionamento di alcune tra le più importanti tecnologie di uso comune. Né i transistor all’interno dei nostri computer e smartphone, né la gran parte delle apparecchiature utilizzate nella medicina moderna potrebbero infatti funzionare senza un’avanzata comprensione delle proprietà dei materiali alle più piccole scale di lunghezza ed energia, descritte appunto dalla fisica quantistica. Decenni di ricerche ed avanzamenti tecnologici a livello globale hanno permesso di raggiungere oggigiorno un livello di precisione straordinario nella misura e nella manipolazione delle proprietà microscopiche della materia. Un formidabile esempio ne sono gli orologi ottici atomici, nei quali si sfruttano le transizioni tra specifici livelli energetici quantizzati dell’atomo per misurare lo scorrere del tempo con un’estrema precisione di persino 1 parte su 10 miliardi di miliardi. In tali dispositivi, un insieme di atomi viene isolato dall’ambiente esterno e raffreddato fino a poche frazioni infinitesime di grado sopra lo zero assoluto, per poi intrappolare ciascun atomo individualmente tramite fasci di luce laser opportunamente configurati, ed interrogarlo come si fa con il pendolo nei classici orologi meccanici. Ben lontana dall’essere un puro esercizio della tecnica, la precisione raggiunta dai più avanzati orologi atomici avrà presto applicazioni concrete, come l’individuazione di giacimenti sotterranei e di eventi eruttivi, resa possibile dalla stretta relazione tra lo scorrere del tempo e la prossimità di grandi masse, quantificata dalla teoria della relatività generale di Einstein.

Negli orologi atomici, gli atomi vengono mantenuti quanto più possibile isolati gli uni dagli altri, in modo da non influenzarsi reciprocamente compromettendo la precisione dello strumento. In natura, al contrario, molte particelle quantistiche interagiscono tra loro dando luogo ad alcuni dei fenomeni più sorprendenti e ricchi della fisica moderna: gli elettroni si muovono e interagiscono nei solidi, dando origine alla superconduttività ed al magnetismo; analogamente, le particelle subatomiche (quark e gluoni) hanno interagito nello stato di plasma primordiale in cui si ritiene che si sia trovato l’Universo pochi istanti dopo il Big Bang. Il cosiddetto problema quantistico a molti corpi si incontra in un’ampia gamma di campi della fisica e scale energetiche. La sua trattazione è estremamente ardua, anche utilizzando i calcolatori classici più potenti. Per questo motivo, nell’ultimo decennio è cresciuto l’interesse verso un percorso alternativo: concepire sistemi quantistici ben controllati, noti come simulatori quantisticiche possano essere utilizzati per studiare prototipi di modelli quantistici a molti corpi. Questo approccio è oggi realtà nei laboratori di ricerca situati in varie parti del mondo, grazie agli enormi progressi nel controllo dei sistemi atomici e nano-strutturati. È così che sviluppi straordinari iniziati negli anni ’70 nel campo delle misure di precisione hanno portato alla nascita di nuove discipline, tra cui appunto la simulazione quantistica.

I sistemi di atomi ultra-freddi forniscono una piattaforma interessante per costruire questi prototipi: si tratta di “materiali sintetici”, assemblati con precisione attraverso l’intrappolamento e il raffreddamento laser atomico, in cui le interazioni reciproche tra le particelle possono essere regolate a piacimento. Questi atomi ultra-freddi offrono così una “lente d’ingrandimento” per studiare fenomeni che sono difficili da misurare in altri sistemi a molte particelle. Ad esempio, gli atomi vengono intrappolati in laboratorio ad una distanza di circa un micron l’uno dall’altro, rendendo molto più semplice sondare otticamente questi gas quantisticiultra-freddi al livello della singola particella, rispetto agli elettroni nei solidi. Inoltre, i sistemi a stato solido fuori dall’equilibrio spesso si riassestano su scale temporali molto brevi dell’ordine del femtosecondo. Nella materia ultra-fredda, stati fuori-equilibrio possono persistere invece per tempi molto più lunghi, offrendo una nuova finestra di osservazione sul mondo poco compreso della materia quantistica lontana dall’equilibrio.

L’Italia riveste un ruolo di grande rilevanza nella realizzazione di simulatori quantistici composti da gas atomici ultrafreddi, come dimostrano i numerosi progetti Europei sul tema svolti nel nostro Paese in anni recenti. La ricerca italiana in fisica atomica e ottica quantistica rappresenta infatti un’indubbia eccellenza a livello europeo. Il sistema della ricerca triestino, già protagonista di questi sviluppi grazie ad un ecosistema della ricerca unico in Italia e ad una poliedrica competenza nella fisica della materia, giocherà un ruolo di primo piano nello sviluppo di nuovi simulatori quantistici nel prossimo futuro. Ne sono ulteriore garanzia il crescente impegno e la collaborazione tra l’Università degli Studi di Trieste e il CNR-INO nel contesto di nuove ambiziose iniziative, quali il progetto regionale Quantum FVG e il progetto Europeo ERC OrbiDynaMIQs.

di Francesco Scazza 

[Francesco Scazza: classe 1985, ha conseguito la laurea magistrale in Fisica presso l’Università degli Studi di Milano nel 2009, con una tesi di ottica quantistica svolta al laboratorio LKB di Parigi. Ha ottenuto il dottorato in Fisica presso l’Università Ludwig Maximilians di Monaco di Baviera nel 2015, sviluppando nuovi esperimenti di simulazione quantistica con gas atomici ultrafreddi. Dal 2015 ha lavorato, dapprima con una borsa Marie Sklodowska-Curie e poi come ricercatore, al CNR-INO e al LENS di Sesto Fiorentino, dove ha avuto l’onore di collaborare con il premio Nobel per la Fisica Wolfgang Ketterle del MIT di Boston. Nel 2020 si è aggiudicato il finanziamento di uno Starting Grant della Commissione Europea della Ricerca (ERC) per un valore di 1,42 milioni di euro con un progetto di ricerca sperimentale sulla simulazione quantistica di sistemi fermionici a molte particelle, che verrà sviluppato nell’arco di 5 anni a Trieste. Da maggio prossimo approderà infatti come professore associato al Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Trieste.]