Il valore di un buon vicino

Avere buoni vicini può essere molto prezioso, anche nel mondo atomico. Un team di fisici di Amsterdam è stato in grado di determinare un’importante proprietà degli atomi di stronzio, un elemento molto utile per le moderne applicazioni negli orologi atomici e nei computer quantistici, con una precisione senza precedenti.

Avere buoni vicini può essere molto prezioso, anche nel mondo atomico.

Un team di fisici di Amsterdam è stato in grado di determinare un’importante proprietà degli atomi di stronzio, un elemento molto utile per le moderne applicazioni negli orologi atomici e nei computer quantistici, con una precisione senza precedenti.

Per raggiungere questo obiettivo, hanno fatto un uso intelligente di una nuvola vicina di atomi di rubidio. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters questa settimana.

Stronzio. Forse non è l’elemento chimico più conosciuto popolarmente, ma tra un gruppo di fisici ha una reputazione molto migliore – e giustamente.

Lo stronzio è uno dei sei cosiddetti metalli alcalino-terrosi, il che significa che condivide proprietà con cugini più noti come magnesio, calcio e radio.

Gli atomi di stronzio hanno 38 protoni nel loro nucleo e un numero variabile di neutroni – per le variazioni (o isotopi) dello stronzio che possono essere trovati in natura, 46, 48, 49 o 50.

Una persona con un’inclinazione matematica potrebbe osservare che solo uno di questi numeri, il 49, è dispari. Anche se questa può sembrare solo un’osservazione curiosa, in realtà è quel particolare isotopo dello stronzio, quello con 87 particelle totali nel suo nucleo, che ha le proprietà più speciali.

Il numero dispari trasforma il nucleo in un tipo di oggetto noto come fermione, mentre tutti gli altri nuclei di stronzio sono bosoni.

È importante sottolineare che il numero dispari trasforma anche il nucleo in una minuscola barra magnetica, attraverso una proprietà chiamata spin.

 Mentre tutte le particelle subatomiche hanno spin, i due spin di una coppia di particelle identiche possono annullarsi completamente, portando allo spin totale zero.

Questo è esattamente ciò che accade negli isotopi bosonici dello stronzio, dove lo spin totale di ciascuna delle specie subatomiche (pari) (protoni, neutroni ed elettroni) si annulla a zero, e di conseguenza lo spin totale dell’atomo è zero.

È l’atomo di stronzio fermionico che, attraverso il suo spin nucleare diverso da zero, ha le proprietà speciali che hanno ispirato i fisici per anni.

Orologi atomici e computer quantistici

Per cominciare, ⁸⁷Sr, come viene comunemente abbreviato l’isotopo, è uno dei principali isotopi candidati da utilizzare nella prossima generazione di orologi atomici, i cosiddetti orologi ottici.

Tali orologi traggono la loro estrema precisione di temporizzazione da frequenze di luce molto precise che gli atomi emettono o assorbono.

L’emissione o l’assorbimento si verifica quando l’atomo passa da uno stato all’altro.

Nell’atomo di stronzio, la frequenza ottica più precisa corrisponde a una luce chiara, di colore rosso, con una lunghezza d’onda di 698 nanometri.

Tuttavia, il problema con le versioni bosoniche dell’atomo è che le regole relative allo spin (zero) vietano rigorosamente l’emissione o l’assorbimento in quella che altrimenti sarebbe la transizione ideale.

Qui lo spin nucleare dell’isotopo fermionico viene in soccorso. Il magnete nucleare risultante dallo spin di ⁸⁷Sr permette di “infrangere” le regole di spin quel tanto che basta – ma non troppo – perché la transizione del clock ottico sia praticabile per l’assorbimento e l’emissione pur rimanendo a una frequenza molto ben definita e stabile. Inoltre, la forza del magnete nucleare in ⁸⁷Sr è un parametro importante per il funzionamento dell’orologio.

Questo ci porta a un effetto scoperto dal premio Nobel olandese Pieter Zeeman nel 1896, oggi noto come effetto Zeeman.

Nella sua forma originale, descrive la scissione dei diversi livelli di energia in cui possono trovarsi gli elettroni di un atomo, e di conseguenza i fotoni uscenti – particelle di luce – possono avere molte frequenze diverse ma determinabili con precisione.

A un livello più tecnico, lo stesso effetto Zeeman si verifica in un nucleo atomico che ha spin, e la forza del magnete nucleare determina la quantità di scissione e la specifica frequenza radio (una forma di luce a frequenza molto più bassa) con cui si può capovolgere il magnete nucleare da uno stato all’altro.

Come accennato, questo momento magnetico svolge un ruolo chiave nel funzionamento dell’orologio ottico e la sua determinazione accurata può aiutare i ricercatori a migliorare la calibrazione di un tale orologio.

Un’altra proprietà speciale, del ⁸⁷Il nucleo Sr è che, attraverso l’effetto Zeeman, il suo livello di energia si divide in non meno di dieci livelli di energia (equidistanti) quando viene applicato un campo magnetico.

Questi dieci diversi stati in cui può trovarsi il nucleo, possono essere utilizzati come elementi costitutivi di un computer quantistico.

Mentre un computer classico utilizza bit che possono essere in due stati, solitamente interpretati come “0” e “1”, un computer quantistico utilizza qubit che possono anche essere in uno stato combinato, all’incirca “un po’ 0 e un po’ 1”.

Questa nozione di qubit (e in particolare la combinazione controllata di molti di questi qubit) rende i computer quantistici molto più potenti dei computer classici quando eseguono determinati calcoli.

Tuttavia, la degenerazione di dieci volte (e la scissione di dieci volte in un campo magnetico) del ⁸⁷Gli stati Sr aprono la possibilità di utilizzare anche i qudit – analoghi dei qubit che possono essere in combinazioni di stati “0”, “1”, “2”… fino a “9”.

Tali qudit formerebbero elementi costitutivi ancora più versatili per computer quantistici e simulatori quantistici.

Il fattore g

In tutte queste applicazioni, l’effetto Zeeman gioca un ruolo centrale, e quindi per ottenere il massimo dai potenziali usi dello stronzio, i fisici vogliono sapere nel modo più accurato possibile di quanto i livelli di energia di ⁸⁷Sr diviso.

In altre parole: qual è la forza del magnete nucleare originata dal suo spin? L’importo del frazionamento è determinato da una quantità nota come fattore g di ⁸⁷Sr, e quindi il compito è quello di determinare questo fattore g nel modo più preciso possibile.

Il valore del fattore g non dipende solo dalle proprietà magnetiche del nucleo, ma anche dalla piccola quantità di schermatura magnetica da parte della nuvola di elettroni che circonda il nucleo, costituendo l’atomo neutro totale.

Calcolare questo al livello di precisione desiderato è una sfida apparentemente insormontabile, e quindi la misurazione di precisione è fondamentale.

Misurazioni molto precise del fattore g erano già state effettuate più di cinquant’anni fa, e fino a quel momento queste misurazioni avevano superato la prova del tempo; In seguito non sono stati apportati miglioramenti.

Ora, tuttavia, un team di cinque fisici dell’Università di Amsterdam e del centro di ricerca sul software quantistico QuSoft è riuscito a ottenere un miglioramento di cento volte del valore precedentemente noto.

Come spesso accade, la svolta è arrivata da una direzione piuttosto inaspettata. Il primo autore Premjith Thekkeppatt, che ha lavorato alla ricerca come studente di dottorato nel gruppo di Amsterdam ed è ora un ricercatore post-dottorato presso il Niels Bohr Institute di Copenaghen, spiega: “Il lavoro è nato dai nostri sforzi per fondere gli atomi di stronzio con un altro elemento, il rubidio, per creare molecole di rubidio-stronzio. Questo si è rivelato estremamente impegnativo, spingendoci a indagare su cosa potevamo ottenere avendo entrambe le specie nelle immediate vicinanze, evitando sovrapposizioni. Utilizzando una tecnica chiamata intrappolamento ottico, siamo riusciti a ottenere una tale configurazione”.

Si è scoperto che la cattura ⁸⁷Sr e molto vicino anche intrappolare gli atomi di rubidio non ha aiutato immediatamente a costruire le molecole desiderate, ma quando si impiega una tecnica di misura nota come risonanza magnetica nucleare (in sostanza misurando la frequenza corrispondente alla scissione dell’energia), ha aiutato a determinare in modo molto accurato il fattore g e quindi a determinare la dimensione precisa dell’effetto Zeeman.

Il motivo era che le proprietà del rubidio sono state stabilite in modo estremamente accurato, e quindi queste potrebbero essere utilizzate per calibrare con precisione l’intensità del campo magnetico nel vuoto dove entrambi i tipi di atomo erano intrappolati. Ciò a sua volta ha permesso di determinare in modo molto migliore ⁸⁷Fattore g Sr.

Un punto di riferimento impegnativo

La precisione appena raggiunta non solo aprirà la porta ad applicazioni più precise basate sullo stronzio negli orologi atomici e nell’informatica quantistica, ma potrebbe anche portare ad altri passi avanti.

Thekkeppatt: “I nostri risultati costituiscono un nuovo punto di riferimento impegnativo per i calcoli della struttura atomica. Abbiamo dimostrato che questo nuovo metodo funziona molto bene per le misurazioni di precisione e i metodi dimostrati ispireranno l’estensione a ulteriori specie atomiche e stati rilevanti per tutti i tipi di applicazioni”.

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