Fisica

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.”

Gli esperimenti rivelano la fisica dell'evaporazione

Gli esperimenti rivelano la fisica dell'evaporazione

Durante il processo della fisica dell'evaporazione i cambiamenti di pressione, più della temperatura, influenzano fortemente la velocità con cui i liquidi si trasformano in gas.

È un processo così fondamentale per la vita di tutti i giorni - in ogni cosa, dalla tua caffettiera mattutina alla grande centrale elettrica - che spesso è dato per scontato: il modo in cui un liquido si allontana da una superficie calda.

Eppure sorprendentemente, questo processo di base è stato solo ora, per la prima volta, analizzato in dettaglio a livello molecolare, in una nuova analisi del dottor Zhengmao Lu, (1) del del Massachusetts Institute of Technology, professore di ingegneria meccanica e capo del dipartimento della scienziata Evelyn Wang, (2) e altri tre al Massachusetts Institute of Technology e all'Università di Tokyo. Lo studio appare sulla rivista Nature Communications.

La dottoressa Evelyn Wang spiega: “Si scopre che per il processo di cambiamento di fase liquido-vapore, una comprensione fondamentale è ancora relativamente limitata. Sebbene siano state sviluppate molte teorie, in realtà non ci sono prove sperimentali dei limiti fondamentali della fisica dell'evaporazione. È un processo importante da capire perché è così onnipresente. L'evaporazione è prevalente in diversi tipi di sistemi come la generazione di vapore per centrali elettriche, le tecnologie di desalinizzazione dell'acqua, la distillazione a membrana e la gestione termica, come ad esempio i tubi di calore. Ottimizzare l'efficienza di tali processi richiede una chiara comprensione delle dinamiche in gioco, ma in molti casi gli ingegneri fanno affidamento su approssimazioni o osservazioni empiriche per guidare le loro scelte di materiali e condizioni operative.”

Utilizzando una nuova tecnica per controllare e rilevare le temperature sulla superficie di un liquido, i ricercatori sono stati in grado di identificare un insieme di caratteristiche universali correlate ai cambiamenti di tempo, pressione e temperatura che determinano i dettagli del processo di evaporazione. Nel processo, hanno scoperto che il fattore chiave, che determinava la velocità di evaporazione del liquido, non era la differenza di temperatura tra la superficie e il liquido ma piuttosto la differenza di pressione tra la superficie del liquido e il vapore ambientale.

Fisica statistica per la modellizzazione di reti

Fisici esperti di teoria delle reti hanno creato metodi e idee della fisica statistica per la biologia e la descrizione di reti sociali ed economiche

Una collaborazione tra Istituto dei sistemi complessi del Cnr, Imt di Lucca e Università di Leiden ha prodotto un framework comune, basato sulle idee proprie della fisica statistica, per la modellizzazione di reti complesse, applicabile a sistemi reali che spaziano da quelli socio-economici a quelli naturali.

La principale applicazione si ha quando bisogna ricostruire la struttura di tali sistemi a partire da informazioni parziali. Ad esempio, nel caso delle banche e degli scambi finanziari coperti dalla privacy. Lo studio è pubblicato nel numero inaugurale di Nature Reviews Physics

Molti sistemi socio-economici e naturali possono essere efficacemente modellizzati come reti in cui i nodi rappresentano gli elementi che interagiscono tra loro e i legami le interazioni stesse le quali spesso danno luogo a strutture complesse ed irregolari. Tale modellizzazione è fondamentale per lo studio approfondito di tali sistemi: talvolta, però, non si ha accesso alla struttura totale della rete, ma si ha un'informazione parziale, da cui sorge la necessità di elaborare modelli statistici adatti alla ricostruzione della rete globale.

Fisici esperti di teoria delle reti dell'Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Isc), in collaborazione con colleghi della scuola Imt di Lucca e dell'Università di Leiden in Olanda, hanno pubblicato nel numero inaugurale di Nature Reviews Physics un lavoro dove si presenta un approccio matematico comune a questi problemi, basato sui metodi e le idee proprie della fisica statistica, che permette ampie applicazioni in ambiti scientifici che vanno dalla biologia alla descrizione delle reti sociali ed economiche.

“Spesso questi sistemi sono schematizzati come reti per le quali, nel recente passato, sono stati sviluppati molti strumenti teorici e numerici di analisi, a partire dalla teoria matematica dei grafi. È il caso per esempio delle reti bancarie che scambiano moneta o titoli, degli ecosistemi con specie legate da rapporti preda-predatore o delle rete funzionali delle aree corticali del cervello, che interagiscono dinamicamente”, spiega Andrea Gabrielli, ricercatore Cnr-Isc. “Tuttavia, per limiti sperimentali o imposti dall'esterno, come le clausole di privacy che non permettono la conoscenza di tutti gli scambi finanziari in una rete interbancaria, l'informazione parziale sulla rete rende necessaria la formulazione di modelli statistici per dedurne le sue proprietà strutturali”.

Pagine