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Dossier

Luce e materia, accoppiata vincente

Siamo un “quanto” più vicini a comprendere le interazioni tra luce e materia. Due articoli apparsi su Nature riportano le ultime scoperte di quella scienza di frontiera che è la fisica quantistica e ne immaginano le futuristiche applicazioni (Teletrasposto riuscito).

Due équipe di fisici guidate da Tilman Esslinger e Jakob Reichel hanno studiato il comportamento degli atomi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto (circa -273 gradi centigradi) in cavità ottiche Qde (Cavity Quantum Electrodynamics), in cui è possibile far interagire singoli atomi con singoli fotoni, e creare sistemi di molte particelle che si comportano come fossero una sola. Nella fisica quantistica questa uniformità è chiamata coerenza, ed è tipica dei condensati di Bose-Einstein, lo stato della materia che si ottiene portando particelle note come bosoni (ovvero tutte quelle che hanno un numero di spin intero) a bassissime temperature: in questa condizione la stragrande maggioranza delle particelle si viene a trovare in un identico stato di minima energia (motional ground state) e ha la stessa funzione d'onda.

Se noi ora prendiamo questi sistemi e li poniamo all'interno di una cavità ottica (un “resonator” che può essere immaginato come una scatola in cui la luce che entra rimane intrappolata), quello che accade è un logico aumento delle interazioni tra atomi e fotoni. Meno logico è forse la formazione di sistemi atomi-fotoni fortemente accoppiati, che continuano a comportarsi come un'unica macro particella. Immaginiamo infatti di bombardare “a caso” con dei fotoni il condensato di Bose-Einstein: la luce trasporta energia che viene distribuita a caso tra le particelle e distrugge la coerenza del sistema. Usando invece particolari accorgimenti (per esempio un laser in cui i fotoni emessi si trovano tutti allo stesso stato quantico), è possibile far avvenire l'interazione in maniera coerente.

Nello studio dell'Institute for Quantum Electronics di Zurigo guidato da Tilman Esslinger, i fisici sono riusciti a ottenere un altissimo tasso di accoppiamento del condensato di Bose-Einstein all'interno di una cavità ottica, in un sistema tale che tutti gli atomi hanno occupato un identico stato quantistico e tutte le coppie fotone-atomo hanno mostrato una singola eccitazione.

L'esperimento di Jakob Reichel del Laboratoire Kastler Brossel e colleghi, invece, ha mostrato che è possibile stabilire la posizione del condensato di Bose-Einstein praticamente in ogni luogo all'interno della cavità ottica, e controllare il tasso di formazione delle coppie. Secondo gli autori, inoltre, è possibile combinare la cavità ottica con la tecnologia del chip atomico (Confidenze fra atomi).

Secondo entrambi i gruppi di ricerca, la comprensione dell'interazione tra luce e materia allo stato quantico contribuiscono agli avanzamenti nel campo della comunicazione quantistica e non solo (Non è la somma che fa il totale, Fotoni esca contro le intercettazioni, Dal fotone al quantum dot).

“Tutti questi sforzi vanno anche verso la realizzazione di uno stato quantistico il meno piccolo possibile”, commenta Roberto Iengo, direttore del Laboratorio interdisciplinare per le scienze naturali e umanistiche e professore ordinario di Fisica Teorica della Sissa di Trieste. La cavità ottica è infatti anche uno strumento con cui i fisici riescono a realizzare degli stati quantistici che non consistono più in un solo atomo, ma in molti sistemi accoppiati. “La strada verso il macroscopico è lunghissima”, continua Iengo, “e non sappiamo neanche se esistano degli impedimenti concettuali alla sua realizzazione. Sensazionale è però il progresso verso uno stato quantistico sempre più grande” (Verso lo zero assoluto). Se poi si volesse pensare a un'applicazione, stati quantistici macroscopici potrebbero essere usati come componenti di processori che gestiscono l'informazione attraverso le leggi della meccanica quantistica, come la maggior parte dei fisici quantistici prospettano da anni (Quantum computer più vicini, Il primo computer quantistico, Inerpretazioni microscopiche, Spy-story quatistiche).

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• Raccontare il tempo e i tempi della scienza FESTIVAL DELLE SCIENZE

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  Raccontare il tempo e i tempi della scienza

  Bruno Arpaia
  Francesco Cavalli Sforza
  Stefania Polvani
  
  Moderatore Elisa Manacorda, Galileo
  

  
  Il tempo è una sfida per la comunicazione scientifica. Rendere conto di questa complessa variabile nel racconto della scienza è un compito che i comunicatori sono chiamati a svolgere con chiarezza e rigore, senza mancare però di affascinare e coinvolgere il pubblico. Grazie alla partecipazione di esperti di comunicazione, l’incontro punterà l’attenzione sui diversi modi in cui è possibile parlare del tempo nella scienza, a partire da tre particolari aree di interesse così da offrire il più ampio scenario possibile: la fisica, con la teoria del Big Bang; l’evoluzione, con la storia del viaggio attraverso il tempo dell’essere umano; la medicina narrativa, che usa i tempi del racconto della malattia per migliorare la condizione del paziente.

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• Tempo e stress FESTIVAL DELLE SCIENZE

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  Tempo e stress

  Lectio Magistralis di Ronald D. Siegel

  Introduce: Lorenzo Mannella, Galileo

  Lo “stress” è legato alle fantasie sul futuro: anche se in un dato momento proviamo un grande disagio, non ci sentiamo molto stressati a meno di non immaginare che il disagio si protrarrà nel tempo. Tre milioni di anni fa, i nostri antenati erano in competizione con altri animali selvatici nella savana africana. Essi sopravvissero perché ereditarono una risposta di “combattimento o fuga” che li aiutava ad affrontare l’emergenza con azioni tempestive in caso di minaccia, e perché svilupparono la capacità di pensare al passato, immaginare il futuro e pianificare azioni di conseguenza. Mentre questi sistemi, presi singolarmente, contribuivano in maniera efficace al miglioramento della sopravvivenza, operando insieme sono diventati una fonte di stress continuo. Fortunatamente molte culture umane hanno finito col trovare dei modi per allenare la mente a sospendere questa costante pianificazione della sopravvivenza, astrarsi dal flusso di pensieri e assaporare il momento presente. Questa conferenza esplorerà i modi in cui la scienza moderna sta adattando queste tecniche antiche per alleviare lo stress del mondo moderno.

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  La scienza fatta dal basso

  Dal videogioco per trovare la forma delle proteine a quello per classificare la morfologia delle galassie: con la citizen science, si gioca per contribuire alla ricerca.

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