Sviluppati sensori quantici per misurare molecole

Sviluppati sensori quantici per misurare molecole

I ricercatori dell'Università Leibniz Hannover e Physikalisch-Technische Bundesanstalt sviluppano sensori quantici più sensibili per misurazioni molecolari.

Per secoli, gli esseri umani hanno ampliato la loro comprensione del mondo attraverso misurazioni sempre più precise della luce e della materia. Oggi i sensori quantici ottengono risultati estremamente accurati. Un esempio di questo è lo sviluppo di orologi atomici, che non dovrebbero né guadagnare né perdere più di un secondo in trenta miliardi di anni. Le onde gravitazionali sono state rilevate anche tramite sensori quantistici, in questo caso utilizzando interferometri ottici.

I sensori quantistici possono raggiungere sensibilità che sono impossibili secondo le leggi della fisica convenzionale che governa la vita di tutti i giorni. Questi livelli di sensibilità possono essere raggiunti solo se si entra nel mondo della meccanica quantistica con le sue affascinanti proprietà - come il fenomeno della sovrapposizione, in cui gli oggetti possono essere in due posti contemporaneamente e dove un atomo può avere due diversi livelli di energia allo stesso livello tempo.

Sia generare che controllare tali stati non classici è estremamente complesso. A causa dell'alto livello di sensibilità richiesto, queste misurazioni sono soggette a interferenze esterne. Inoltre, gli stati non classici devono essere adattati a uno specifico parametro di misurazione.

Il dottor Fabian Wolf, assieme al team di ricercatori dell'Università Leibniz di Hannover, Physikalisch-Technische Bundesanstalt di Braunschweig e dell'Istituto nazionale di ottica di Firenze, ha introdotto un metodo basato su uno stato non classico adattato a due parametri di misurazione contemporaneamente. Egli afferma: “sfortunatamente, questo spesso determina una maggiore inesattezza rispetto ad altri parametri di misurazione rilevanti. Questo concetto è strettamente legato al principio di indeterminazione di Heisenberg.”

L'esperimento può essere visualizzato come la versione quantistica di un semplice pendolo. In questo caso, i parametri di misurazione adattati sono il massimo spostamento del pendolo (ampiezza) e il numero di oscillazioni al secondo (frequenza). Il pendolo comprende un singolo ione di magnesio incorporato in una “ion trap”. Attraverso le interazioni con la luce laser, i ricercatori sono stati in grado di raffreddare lo ione magnesio allo stato fondamentale di un sistema meccanico quantistico, lo stato più freddo raggiungibile. Da lì, hanno generato uno “Fock state” del movimento e hanno oscillato il pendolo a singolo atomo utilizzando una forza esterna. Ciò ha permesso loro di misurare l'ampiezza e la frequenza con una sensibilità ineguagliata da un pendolo convenzionale. In contrasto con gli esperimenti precedenti, questo era il caso per entrambi i parametri di misurazione senza dover regolare lo stato non classico.

Utilizzando questo nuovo approccio, il team ha dimezzato il tempo di misurazione, mentre la risoluzione è rimasta costante o raddoppiata con un tempo di misurazione costante. L'alta risoluzione è particolarmente importante per le tecniche di spettroscopia basate sul cambiamento dello stato del movimento. In questo caso particolare, i ricercatori intendono analizzare singoli ioni molecolari mediante irradiazione laser al fine di stimolare il movimento molecolare. La nuova procedura consentirà loro di analizzare lo stato della molecola prima che venga interrotto da un'irradiazione laser troppo intensa.

Il dottor Fabian Wolf spiega: “ad esempio, le misurazioni precise delle molecole potrebbero rivelare interazioni tra la materia convenzionale e la materia oscura, il che sarebbe un grande contributo per risolvere uno dei più grandi misteri della fisica contemporanea. Il concetto di misurazione, che i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta, potrebbe anche migliorare la risoluzione negli interferometri ottici come i rilevatori di onde gravitazionali, fornendo quindi dettagli più approfonditi nell'aurora dell'universo.

Lo studio (1), che è stato pubblicato da Nature Communications, è nato dal centro di ricerca collaborativa “DQ-mat - Designed Quantum States of Matter” che ha ricevuto finanziamenti dalla Fondazione di ricerca tedesca (DFG). Il team di ricercatori ha ora pubblicato le loro scoperte sulla rivista scientifica Nature Communications. (2)

Riferimenti:

(1) Alle Macht den Konstanten

(2) Motional Fock states for quantum-enhanced amplitude and phase measurements with trapped ions

Descrizione foto: Gli scienziati del QUEST Institute presso l'Università Leibniz di Hannover e il Physikalisch-Technische Bundesanstalt hanno, insieme ai colleghi di Firenze, hanno sviluppato un metodo basato su uno stato non classico adattato a due parametri di misurazione contemporaneamente. Ciò consentirà misurazioni precise di molecole che potrebbero rivelare interazioni tra la materia convenzionale e la materia oscura. - Credit Fabian Wolf.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Redefining the Limits of Measurement Accuracy

Aggiungi un commento

Filtered HTML

  • Indirizzi web o e-mail vengono trasformati in link automaticamente
  • Elementi HTML permessi: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd>
  • Linee e paragrafi vanno a capo automaticamente.

Plain text

  • Nessun tag HTML consentito.
  • Indirizzi web o e-mail vengono trasformati in link automaticamente
  • Linee e paragrafi vanno a capo automaticamente.
CAPTCHA
Questa domanda serve a verificare se sei un lettore o un robot.
Image CAPTCHA
Enter the characters shown in the image.