Il tunneling quantistico è assolutamente folle, ecco cosa dovete sapere

Il mondo dei quanti è appena diventato molto più folle.

Teletrasporto Quantum Tunnelling
Il tunneling quantistico sarà alla fine possibile?

Per i non iniziati, la fisica quantistica è una branca della scienza che descrive le particelle che compongono la materia e le forze con cui interagiscono. Se abbiamo imparato qualcosa sul mondo dei quanti, è questo: il mondo dei quanti è strano. Su una scala inimmaginabilmente piccola, le cose si comportano in modo controintuitivo. I fisici possono avere una buona conoscenza della matematica che sta dietro alla fisica quantistica, ma questa matematica a volte può indicare cose che li lasciano con la testa che si grattano.

Niels Bohr una volta disse che “coloro che non sono scioccati quando incontrano per la prima volta la teoria quantistica non possono averla compresa”.

Nel mondo quantistico, può essere possibile che le particelle aggrovigliate comunichino più velocemente della luce, che le particelle minuscole esistano in più luoghi contemporaneamente, che le particelle entrino ed escano in modo casuale e che alcune particelle si “teletrasportino” attraverso i muri come i fantasmi. Sì, il mondo dei quanti è strano. Come avrete intuito, ci concentreremo qui sull’ultimo esempio, un processo chiamato tunnel quantistico.

Nella sua spiegazione più elementare e comprensibile, il tunneling quantistico è il fenomeno meccanico in cui una funzione d’onda può propagarsi attraverso una potenziale barriera.

Immaginate di lanciare una palla contro il muro. Colpirà il muro e rimbalzerà all’indietro. Se lo si lascia rotolare giù per una collina, quando raggiunge il fondo ci rimane. Ma alla scala quantistica, le particelle occasionalmente rimbalzeranno attraverso il muro invece di “rimbalzare indietro”. Anche se può sembrare una trama dei Vendicatori della Marvel, questo fenomeno è stato notato già nel 1928, quando due fisici scrissero in Nature che le particelle a volte “sembrano scivolare attraverso la collina e fuggire dalla valle”.

La vostra barriera non vale nulla qui

Immagina che tu e la tua sorellina stiate litigando con Nerf Guns. Mentre lo fate, vi sparate l’un l’altro da diversi lati della stanza. Tua sorella è seduta tra un piccolo “muro” di cuscino di fortuna alto qualche metro e largo, mentre tu le spari costantemente contro la tua rivale Nemesis MXVII. Essendo questo il Mondo Quantico, hai milioni di proiettili caricati nella tua pistola. Nel nostro caso, il 99,999% dei vostri proiettili Nerf rimbalzerà sul muro. Tuttavia, una piccolissima percentuale si “teletrasporterà” dall’altra parte del muro e sparerà i colpi finali a tua sorella.

Come sono magicamente apparsi i tuoi nerf pellet dall’altra parte del muro di fortuna? Dovete ringraziare il tunnel quantistico per questo. Qui è dove inizia la nostra storia.

Le particelle hanno la possibilità di scivolare attraverso la montagna e di fuggire dalla valle.

Fin dalla pubblicazione del primo articolo sull’idea di tunneling quantistico nel 1928, i ricercatori sono stati desiderosi di saperne di più su questo fenomeno, di capire come funziona e di ottenere una risposta diretta all’annosa domanda su quanto velocemente si verifica il “tunneling”.

Il tunneling in sé è un buon promemoria di come le particelle strane possono comportarsi a livello quantistico. Nel tunneling quantistico, una particella subatomica può apparire sul lato opposto di una barriera che non dovrebbe essere in grado di penetrare.

Supponiamo di dover rilasciare una particella subatomica, come un elettrone o un protone, in uno spazio su un lato di una collina di energia potenziale. La particella non ha l’energia per superare la collina, quindi siete sicuri che la particella rimarrà ferma. Tuttavia, la particella è improvvisamente scomparsa. Come si può vedere nella figura sopra, una volta arrivati dall’altra parte della collina, la particella è riuscita in qualche modo a superare la nostra collina. Le particelle che passano attraverso un tunnel possono intrufolarsi attraverso barriere come questa, e potrebbe essere più comune di quanto si pensi.

Infatti, il tunneling quantistico può essere essenziale per processi fondamentali come la fotosintesi. Dopo aver scoperto il tunnel quantistico, i fisici si sono resi conto che in realtà risolveva molti misteri. Ha spiegato vari legami chimici e decadimenti radioattivi, e come i nuclei di idrogeno nel sole possono superare la loro reciproca repulsione e fondersi per produrre la luce del sole.

Semiconduttori, transistor e diodi non funzionerebbero senza di loro. E, naturalmente, il calcolo quantistico include il tunneling. Si scopre che le particelle scivolano attraverso la montagna e fuggono dalla valle abbastanza spesso.

È necessario afferrare alcune delle idee chiave della fisica quantistica prima di poter entrare nel tunneling

Una delle differenze più significative tra la fisica classica e la fisica quantistica è che la fisica quantistica è probabilistica. Torniamo al nostro esempio della barriera delle particelle e della collina. Se stessimo cercando di spingere una palla oltre la collina, sapremmo esattamente dove si trova la palla in ogni momento. Tuttavia, dato che stiamo usando una particella, non lo sappiamo. A differenza di una palla, non possiamo sapere esattamente dove si trova una particella in un dato momento.

Potete ringraziare il Principio di indeterminazione di Heisenberg per averlo chiarito. Dice che non potremo mai conoscere sia la posizione esatta che la tempistica di una particella subatomica. È interessante notare che questo non ha nulla a che fare con la mancanza di strumenti di misura adeguati. Il principio di indeterminazione di Heisenberg sembra essere una parte fondamentale della natura della realtà. Tuttavia, c’è una buona notizia.

Siamo in grado di misurare la probabilità di dove si trova una particella in un dato momento, in un grado molto elevato. I fisici quantistici modellano queste probabilità utilizzando una funzione d’onda. In breve, una funzione d’onda è una descrizione della probabilità di trovare un oggetto in un particolare luogo e momento.

Effetto tunnel
Effetto tunnel

Ancora con noi? Una strana proprietà delle onde è che raramente si fermano quando colpiscono qualcosa. Pensate al suono. Le onde sonore della vostra musica non si fermano quando entrano in contatto con oggetti solidi. Pertanto, non si fermano nemmeno se la porta è chiusa a chiave. I tuoi compagni di stanza possono ancora sentirti sparare a Kpop.

Oppure, se così non fosse, la luce del sole che colpisce la vostra casa si fermerebbe e non riscalderebbe mai la vostra casa. La stessa cosa accade con le forme d’onda utilizzate per descrivere le particelle quantistiche. La funzione d’onda di un oggetto può estendersi in una barriera o anche oltre. Poiché questa funzione descrive la probabilità che una particella atterri in un particolare spazio, accade occasionalmente che questa particella atterri anche dall’altra parte della barriera. Ha senso tutto questo?

Potresti camminare attraverso i muri?

Forse teoricamente, ma molto probabilmente no. Anche se questa potrebbe essere una forza fredda (e pericolosa), la probabilità che si verifichi è piuttosto vicina allo zero. Jack Fraser, uno studente laureato in fisica all’Università di Oxford , ha osservato che “fin dall’inizio dell’universo [13,8 miliardi di anni fa], un trilione di persone poteva imbattersi in muri ogni secondo, un trilione di volte al secondo – e la probabilità che uno di loro corresse attraverso il muro è ancora così piccola da essere [virtualmente] pari a zero”. Perché? La probabilità che un oggetto cammini attraverso il muro è direttamente correlata alla massa dell’oggetto. Una persona media pesa circa 70 kg; un elettrone pesa circa 9×10-31 kg.

Ma se vi sentite come se vi steste perdendo il Partito quantico, ogni speranza non è perduta. Alcune ricerche hanno suggerito che il tunneling quantistico può avvenire nel nostro corpo perché gli enzimi responsabili dell’attivazione dei legami carbonio-idrogeno possono promuovere il tunneling dell’idrogeno. È interessante notare che uno di questi enzimi è responsabile della conversione dell’etanolo in acetaldeide, il composto che causa mal di testa, vertigini e nausea dopo una notte di bevute. Quindi forse non vi perderete la festa dei quanti, dopotutto.

Quanto velocemente avviene il tunneling quantistico?

Questa è la prossima domanda logica. Negli ultimi decenni, tuttavia, questo è stato un argomento molto dibattuto, insieme alla questione di cosa succede alla particella quando “si muove” attraverso la barriera. Come molte cose nel mondo dei quanti, le risposte a queste domande non sono semplici.

I ricercatori hanno cercato di misurare il tempo necessario per costruire un tunnel prima, con risultati variabili e spesso discutibili, con alcuni sostenendo che l’evento può essere anche più veloce della velocità della luce. Ma proprio quest’anno gli scienziati potrebbero aver risolto il caso con uno storico esperimento di ricerca durato 20 anni.

Nel (1)paper(2) pubblicato, condotto dai fisici del (1)paper(2) del Canadian Institute for Advanced Research, i ricercatori descrivono non solo come hanno misurato il processo, ma anche il numero ottenuto. “Il tunneling quantistico è uno dei fenomeni quantistici più sconcertanti. Ed è fantastico che ora possiamo studiarlo in questo modo”, dice il co-autore dello studio Aephraim Steinberg, co-direttore del Quantum Information Science Program.

Come hanno fatto? Hanno usato alcuni dei principi più basilari della fisica quantistica per renderlo possibile. Nel loro esperimento, hanno usato 8.000 atomi di rubidio raffreddati a un miliardesimo di grado sopra lo zero Kelvin.

Gli atomi dovevano essere a quella temperatura, altrimenti si sarebbero mossi a caso ad alta velocità invece di rimanere in un piccolo ciuffo. I fisici canadesi hanno usato un laser per creare una barriera e l’hanno focalizzata in modo che la barriera fosse di 1,3 micrometri, ovvero dello spessore di circa 2.500 atomi di rubidio. Utilizzando un altro laser, la squadra ha spinto gli atomi di rubidio verso la barriera, spostandoli ad una velocità costante di circa 3,8 mm (0,15 pollici) al secondo. La maggior parte degli atomi di rubidio rimbalzavano sulla barriera. Tuttavia, grazie al nostro vecchio tunnel Pal, il 3% degli atomi è penetrato nella barriera e ha raggiunto l’altro lato.

La scelta del rubidio non è stata casuale. È stato usato perché la rotazione dell’atomo può essere cambiata dai laser. Più ci metteva il rubidio a scavare un tunnel attraverso la barriera, più cambiava la rotazione. Misurando l’asse di rotazione di un atomo prima e dopo che è entrato nella barriera, gli scienziati hanno potuto determinare quanto tempo ha richiesto agli atomi di scavare un tunnel. Quanto tempo è durato il processo? In media, 0,61 millisecondi.

Il risultato si è rivelato alquanto perplesso, dato che nel mondo quantistico questo è relativamente lento, soprattutto se si considera che i lavori precedenti suggerivano che il tunneling potesse essere istantaneo. In ogni caso, è un altro esempio impressionante di come un approccio che potrebbe aiutare a demistificare il regno dei quanti. La cosa più importante è che è stato possibile misurare questo evento. “Stiamo lavorando ad una nuova misura in cui rendiamo la barriera più spessa e poi determiniamo la quantità di precessione a diverse profondità. Sarà molto interessante vedere se la velocità degli atomi è costante o meno”, dice il team.

Il tunneling quantistico può non essere così misterioso come alcuni dei casi più lontani, ma è una parte importante della natura del nostro mondo e dell’universo. La comprensione del tunneling quantistico potrebbe aiutarci a far progredire lo sviluppo di nuove tecnologie come i computer quantistici. Sarà interessante vedere quali nuovi fenomeni quantistici possiamo testare.