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Un Nuovo Avanzamento nella Fisica Quantistica: Immagini Chiare di Atomi che si Comportano come Onde

Per la prima volta nella storia, i fisici hanno catturato un’immagine chiara di singoli atomi che si comportano come onde.

L’immagine mostra nitidi punti rossi di atomi che fluorescono trasformandosi in sfocati ammassi di pacchetti d’onda ed è una sorprendente dimostrazione dell’idea che gli atomi esistano sia come particelle che come onde, uno dei pilastri della meccanica quantistica.

Gli scienziati che hanno inventato la tecnica di imaging hanno pubblicato i loro risultati sul server di pre-stampa arXiv, quindi la loro ricerca non è ancora stata sottoposta a revisione paritaria.

“Il carattere ondulatorio della materia rimane uno degli aspetti più sorprendenti della meccanica quantistica”, hanno scritto i ricercatori nel documento. Aggiungono che la loro nuova tecnica potrebbe essere utilizzata per immaginare sistemi più complessi, fornendo approfondimenti su alcune domande fondamentali della fisica.

La Dualità Onda-Particella e il Fascino della Meccanica Quantistica

Proposta per la prima volta dal fisico francese Louis de Broglie nel 1924 e sviluppata da Erwin Schrödinger due anni dopo, la dualità onda-particella stabilisce che tutti gli oggetti delle dimensioni quantistiche, e quindi tutta la materia, esistano contemporaneamente come particelle e onde.

La famosa equazione di Schrödinger è tipicamente interpretata dai fisici come affermante che gli atomi esistono come pacchetti di probabilità ondulatoria nello spazio, che vengono poi collassati in particelle discrete durante l’osservazione. Sebbene incredibilmente controintuitiva, questa strana proprietà del mondo quantistico è stata osservata in numerosi esperimenti.

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L’immagine mostra gli atomi di litio raffreddati quasi allo zero assoluto che appaiono come punti rossi sull’immagine. Combinando diverse di queste immagini, gli autori sono stati in grado di osservare gli atomi che si comportano come onde. (Credito immagine: Verstraten et al.)

Tecnica di Imaging: Rivelare la Doppia Natura degli Atomi

Per immaginare questa doppia natura sfumata, i fisici hanno prima raffreddato gli atomi di litio a temperature prossime allo zero assoluto bombardandoli con fotoni, o particelle di luce, provenienti da un laser per privarli del loro momento.

Una volta raffreddati, più laser li hanno intrappolati all’interno di un reticolo ottico come pacchetti discreti.

Con gli atomi raffreddati e confinati, i ricercatori hanno periodicamente acceso e spento il reticolo ottico, espandendo gli atomi da uno stato confinato simile a una particella a uno che assomiglia a un’onda, e poi indietro.

Una telecamera a microscopio ha registrato la luce emessa dagli atomi nello stato di particella in due momenti diversi, con gli atomi che si comportano come onde nel mezzo. Unendo molte immagini, gli autori hanno costruito la forma di questa onda e osservato come si espande nel tempo, in perfetto accordo con l’equazione di Schrödinger.

Prossimi Passi e Possibili Applicazioni

Questa immagine è solo una semplice dimostrazione. Il prossimo passo dei ricercatori sarà usarla per studiare sistemi di atomi fortemente interagenti che sono meno compresi.

“Studiare tali sistemi potrebbe migliorare la nostra comprensione degli strani stati della materia, come quelli trovati nel nucleo delle stelle di neutroni estremamente dense, o il plasma di quark-gluoni che si ritiene abbia esistito poco dopo il Big Bang“, ha detto Yefsah.


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