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giovedì 5 marzo 2015

Fotografata per la prima volta la dualità quantistica della luce

Ci hanno insegnato che è un’onda, ma anche una particella. Non meravigliatevi: la doppia natura della luce non è che uno dei tanti bizzarri e controintuitivi aspetti della meccanica quantistica, un mondo alla rovescia in cui, per esempio, le particelle lontanissime riescono a comunicare a distanzai gatti sono contemporaneamente vivi e morti e, per l’appunto, la luce è composte di onde e particelle. 

Quest’ultimo aspetto, però, non era mai stato osservato direttamente. Almeno fino a oggi: gli scienziati dell’École polytechnique fédérale de Lausanne, coordinati dall’italiano Fabrizio Carbone, sono infatti riusciti a catturare, per la prima volta al mondo, un’istantanea del fenomeno. La scoperta è stata pubblicata sulla rivista Nature Communications.
Finora, la comunità scientifica era riuscita a immortalare la luce in entrambe le sue due nature, ma in momenti diversi. Per riuscire nell’impresa, i fisici di Losanna hanno usato un approccio radicalmente diverso, sfruttando il cosiddetto effetto fotoelettrico, scoperto da Albert Einstein all’inizio del secolo scorso. Lo scienziato di Ulm dimostrò che la luce, colpendo una superficie metallica, poteva eccitarne gli atomi e indurre l’emissione di elettroni. L’esperimento di Carbone funziona così: un impulso di luce laser viene inviato contro un piccolo nanotubo metallico. I fotoni scambiano energia con le particelle cariche del nanotubo, e iniziano a vibrare, spostandosi all’interno del nanotubo stesso in due direzioni opposte, “come automobili su una strada”.
Quando due onde che si propagano in direzioni opposte si incontrano, danno luogo a una nuova onda, la cosiddetta onda stazionaria, che illumina tutto il nanotubo. A questo punto, i fisici inviano un fascio di elettroni sull’oggetto, che interagiscono con l’onda stazionaria al suo interno, rallentando o accelerando. Usando un microscopio ultra-veloce per fotografare la posizione esatta in cui avviene tale cambio di velocità, l’équipe di Carbone è riuscita a visualizzare l’onda stazionaria, la firma più chiara della natura ondulatoria della luce.
Il fenomeno, spiegano gli scienziati, dimostra però simultaneamente anche la natura particellare della radiazione. Quando gli elettroni passano vicino all’onda stazionaria, infatti,colpiscono i fotoni, le particelle di luce. E, ancora una volta, l’urto modifica la velocità degli elettroni: gli scienziati sono in grado di rivelare tale variazione misurando i pacchetti energetici scambiati tra elettroni e fotoni. I fisici sono, per l’appunto, riusciti a identificare questo meccanismo, il che mostra che la luce nel nanotubo si comporta anche come una particella, come previsto.
“L’esperimento”, dice Carbone, “dimostra, per la prima volta al mondo, che possiamo filmare direttamente la meccanica quantistica e la sua natura paradossale”. L’importanza dello studio, comunque, va oltre la fotografia del meccanismo: “Riuscire a controllare i fenomeni quantistici su scale così piccole”, conclude lo scienziato, “spiana la strada verso l’agognato quantum computing”.
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