Laser e atomi ultrafreddi: l’esperimento che riscrive l’elettronica quantistica (e apre all’Atomtronica)

L’innovazione tecnologica passa spesso per strade inaspettate, dove la fisica fondamentale incontra l’ingegneria dei materiali. Recentemente, un gruppo di ricercatori della RPTU University of Kaiserslautern-Landau ha realizzato qualcosa di notevole: ha riprodotto un effetto quantistico chiave, solitamente confinato nell’elettronica superconduttiva, utilizzando atomi ultrafreddi e luce laser. Il tutto è stato pubblicato su Science.

Non si tratta solo di un esercizio accademico, ma di una dimostrazione che le stesse precise regole quantistiche governano sia la materia atomica sia i dispositivi elettronici che costituiscono il cuore della tecnologia moderna, dai computer quantistici alla diagnostica medica avanzata.

La sfida dell’invisibile: le giunzioni Josephson

Al centro della questione c’è la cosiddetta giunzione Josephson. Sebbene il nome possa sembrare esoterico ai non addetti ai lavori, questo componente è il “cavallo di battaglia” della tecnologia quantistica.

Una giunzione Josephson ha una struttura ingannevolmente semplice:

• Due superconduttori.
• Uno strato isolante sottilissimo che li separa.

Nonostante questa semplicità, il dispositivo produce effetti meccanici quantistici potenti. È essenziale per definire l’unità standard della tensione elettrica (il Volt) e per misurazioni ultra-precise, come quelle necessarie nella magnetoencefalografia (MEG) per analizzare i segnali magnetici del cervello umano. Tuttavia, c’è un problema tecnico non indifferente: osservare direttamente i processi su scala quantistica all’interno di un superconduttore solido è estremamente difficile. È qui che entra in gioco la simulazione.

L’esperimento: simulare l’elettronica con il gas

Per aggirare l’ostacolo dell’osservazione diretta nei solidi, i fisici tedeschi, guidati dal professor Herwig Ott, hanno optato per una “simulazione quantistica”. In termini pratici, hanno ricreato il comportamento di un sistema complesso (la giunzione elettronica) all’interno di un sistema più facile da studiare e manipolare (un gas di atomi).

Ecco come hanno proceduto:

1. Hanno utilizzato un gas di atomi ultrafreddi, noto come condensato di Bose-Einstein (BEC).
2. Invece di usare materiali solidi, hanno separato due di questi condensati con una barriera ottica eccezionalmente sottile, creata da un raggio laser focalizzato.
3. Hanno mosso questa barriera in modo controllato e periodico per simulare l’effetto delle microonde su una giunzione tradizionale.

I Gradini di Shapiro: la firma dell’universalità

Il risultato è stato sorprendente e conferma l’universalità delle leggi fisiche. Il sistema atomico ha prodotto le stesse firme distintive osservate nelle vere giunzioni Josephson, in particolare i gradini di Shapiro.

Questi gradini sono picchi di corrente che appaiono a intervalli regolari di tensione (o potenziale), proporzionali alla frequenza della luce, rivelando come gli atomi si sincronizzino e “saltino” la barriera in modo quantizzato, fondamentale per lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche e atomtronica, come ha dimostrato un recente studio dell’Università di Firenze e Catania.  Nel mondo elettronico, sono usati per calibrare la tensione elettrica con precisione assoluta.

Come ha dichiarato Herwig Ott: “Il fatto che questo effetto appaia ora in un sistema fisico completamente diverso – un insieme di atomi ultrafreddi – conferma che i gradini di Shapiro sono un fenomeno universale”. Quindi possono essere utilizzati per misurare e programmare i livelli energetici degli atomi.

Verso l’Atomtronica: circuiti fatti di atomi

Dato che abbiamo grandezze misurabili a livello atomico in modo preciso e in modo universale, allora possiamo pensare che questo sarà la base di una nuova elettronica, l’atomtronica, un’elettronica basata sugli atomi  e sui condensati di Bose Eisnten. La tabella seguente riassume le differenze tra l’approccio classico e la nuova frontiera esplorata:

Questa ricerca, pubblicata su Science, non si limita a replicare il passato, ma guarda al futuro. Si apre la strada all’Atomtronica: la creazione di circuiti reali dove a scorrere non sono elettroni, ma atomi. A differenza degli elettroni nei materiali solidi, gli atomi in questi circuiti possono essere osservati direttamente mentre si muovono, permettendo di studiare effetti d’onda e comportamenti microscopici con una chiarezza senza precedenti.

È un esempio da manuale di come la ricerca di base, apparentemente astratta, costruisca ponti tra mondi diversi, portando potenzialmente a nuove generazioni di sensori e tecnologie di calcolo.

Domande e risposte

Cosa sono i gradini di Shapiro e perché sono importanti?

I gradini di Shapiro sono dei “plateau” o livelli discreti di tensione che si manifestano quando una giunzione Josephson viene esposta a radiazioni a microonde. Sono fondamentali perché la loro altezza dipende esclusivamente da costanti fisiche universali e dalla frequenza della radiazione, non dai materiali specifici del dispositivo. Per questo motivo, vengono utilizzati in tutto il mondo come standard per definire con estrema precisione l’unità di misura della tensione elettrica, il Volt.

Perché simulare questo effetto con gli atomi invece di usare i superconduttori?

Sebbene le giunzioni Josephson a superconduttori funzionino perfettamente per le applicazioni pratiche, studiare cosa accade al loro interno a livello microscopico è estremamente difficile. Usando atomi ultrafreddi (condensati di Bose-Einstein) e laser, i ricercatori possono creare un modello “ingrandito” e controllabile del fenomeno. Questo permette di osservare direttamente le dinamiche quantistiche, come il movimento delle onde e le eccitazioni, che sarebbero invisibili all’interno di un materiale solido tradizionale.

Che cos’è l’Atomtronica citata nell’articolo?

L’Atomtronica è un campo di ricerca emergente che mira a creare circuiti analoghi a quelli elettronici, ma che utilizzano flussi di atomi neutri invece di elettroni. Sfruttando le proprietà quantistiche degli atomi ultrafreddi, l’atomtronica promette di realizzare dispositivi con sensibilità elevatissima o con funzionalità impossibili per l’elettronica tradizionale. L’obiettivo futuro è costruire circuiti complessi dove gli atomi si muovono in modo coerente, permettendo lo studio preciso di fenomeni fisici fondamentali e lo sviluppo di nuovi sensori inerziali.

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