Dall'atomo a nuove tecnologie

Con un esperimento pubblicato sulla rivista Nature lo scorso dicembre, il gruppo di ricerca guidato da Giacomo Roati del Lens (Laboratorio europeo per la spettroscopia non-lineare) e dell’Ino (Istituto Nazionale di Ottica) del Cnr, entrambi con sede a Firenze, è riuscito a creare micro-vortici composti da poche decine di atomi ultra-freddi di litio e a farli collidere tra di loro. Durante la collisione, questi vortici quantistici si sono disintegrati convertendo la loro energia in onde sonore, come se fossero due cicloni che si scontrano e si dissolvono con un boato; il tutto però realizzato su scala microscopica attraverso un gas di atomi con densità di oltre un milione di volte inferiore a quella dell’aria, e su distanze di circa un milionesimo di metro.

Lo sviluppo scientifico e tecnologico necessario per arrivare a questo importante risultato ha una lunga storia, resa possibile dalla straordinaria capacità dell’essere umano di trasformare i materiali che la natura gli offre. Nel corso dei secoli, l’uomo ha infatti imparato a conoscere e manipolare la materia con crescente abilità fino a che, negli ultimi cento anni, ha cominciato a studiare i segreti degli atomi imparando così anche a controllarli: un esercizio per nulla semplice considerate le loro dimensioni davvero microscopiche.

Fa parte della storia della fisica la dimostrazione del 1989 condotta dagli scienziati Eigler e Schweizer, i quali riuscirono a posizionare 35 atomi di xeno sopra una superficie di nichel, uno accanto all’altro, per formare la scritta “Ibm”, le cui lettere erano grandi un milionesimo di millimetro. Tale dimostrazione, condotta con un microscopio Stm (Scanning Tunneling Microscope), è estremamente importante, avendo evidenziato la raggiunta capacità di controllare, spostandoli da un punto all’altro, singoli atomi.

C’è però da dire che questa dimostrazione, già di per sé spettacolare, è stata tuttavia condotta prendendo e spostando degli atomi come se fossero delle palline “classiche” (si pensi agli atomi come a dei minuscoli granelli di sabbia che vengono uno ad uno presi e messi in fila per creare la scritta di cui sopra), cosa che, tuttavia, non ha permesso di mettere in luce il loro aspetto ondulatorio, indice della natura quantistica degli atomi stessi.

Per evidenziare i delicati effetti quantistici, infatti, gli atomi non devono essere fissati a un supporto, come la superficie di nichel nell’esperimento degli scienziati dell’Ibm, ma devono essere intrappolati in maniera molto più delicata, per essere lasciati liberi di sviluppare il proprio moto ondulatorio, senza tuttavia dar loro il modo di fuggire; gli atomi devono cioè essere confinati in una sorta di gabbia nella quale devono potersi muovere, ma dalla quale non devono scappare, per poter essere adeguatamente osservati durante l’esperimento. Oltre a ciò, bisogna controllare l’ambiente circostante e, in particolare, affinché gli atomi non vengano disturbati, bisogna creare il vuoto attorno a loro, oltreché provvedere al loro raffreddamento.

Non ci volle molto per raggiungere questo traguardo: nel 1997 i fisici Chu, Cohen-Tannoudji e Phillips vinsero il premio Nobel per aver sviluppato nuovi metodi utili a raffreddare e intrappolare gli atomi, cioè le tecniche necessarie per poter controllare i loro stati quantistici. A questo risultato fece seguito il premio Nobel attribuito nel 2001 ai fisici Cornell, Ketterle e Wieman i quali, utilizzando le tecniche precedentemente sviluppate, per primi riuscirono a sistemare atomi freddi in stati genuinamente quantistici - quelli che, in linguaggio tecnico, sono chiamati condensati di Bose-Einstein, dal nome dei due fisici teorici che per primi ipotizzarono questo stato particolare della materia.

La strada per lo studio e la manipolazione delle proprietà quantistiche degli atomi era così stata aperta. E come un giocoliere che, dopo aver imparato a roteare i birilli in aria, si cimenta a disegnare figure sempre più ardite, allo stesso modo i fisici hanno cominciato non solo a intrappolare gli atomi e a raffreddarli, ma anche a creare delicate geometrie sempre più articolate, senza però perderne gli effetti quantistici, che in condizioni normali tendono a sparire quando il sistema è troppo complesso. Ad esempio, i vortici quantistici di atomi ultra-freddi ruotano con una velocità che può assumere solo certi valori discreti, mentre un vortice classico può ruotare a qualunque velocità.

L’esperimento del gruppo di Roati si inserisce in questa linea di ricerche, ed è importante perché dimostra l’elevata capacità dei ricercatori di Firenze di controllare gli atomi e il loro movimento, al punto tale da essere in grado di disporli in vortici e farli collidere a piacimento, aprendo così la strada allo studio sperimentalmente dei fenomeni legati all’idrodinamica e alla turbolenza quantistica. Non solo: come sempre, trovare nuovi modi di controllare la materia significa poter disporre di nuove tecnologie, per la realizzazione delle quali diversi gruppi di ricerca stanno già lavorando.

Il risultato è anche una conferma dell’eccellenza italiana nella fisica quantistica degli atomi freddi, i cui pionieri sono stati Massimo Inguscio (poi presidente del Cnr) ed Ennio Arimondo, i quali nei primi anni 2000 portarono queste competenze in Italia, proprio al Lens, al Cnr e all’Università di Pisa. Nei venti anni successivi i gruppi di ricerca sono cresciuti e oggi, oltre a Firenze e Pisa, lavorano su argomenti simili anche Trento e Trieste, arrivando a competere con i più forti gruppi internazionali.
 
Angelo Bassi è professore di Fisica all’Università degli Studi di Trieste.