Fast quantum squeezing of a nanomechanical oscillator with an inverted potential

Nel mondo microscopico, le regole della fisica si comportano diversamente rispetto alla nostra vita quotidiana. Una delle regole più fondamentali è che esiste un limite alla precisione con cui possiamo conoscere lo stato di un oggetto. Questo non è un difetto dei nostri strumenti di misura, ma una caratteristica intrinseca della natura stessa, spesso chiamata incertezza quantistica. Immaginate di cercare di misurare la posizione e la velocità di una minuscola particella contemporaneamente; più precisamentre fissate una, più sfocata diventa l'altra. Questa incertezza crea un "rumore" di fondo o un fremito che esiste anche in un vuoto perfetto, noto come fluttuazioni del vuoto. Per gli scienziati che cercano di costruire sensori ultra-sensibili o potenti computer quantistici, questo rumore rappresenta un grande ostacolo. Per aggirarlo, i ricercatori utilizzano una tecnica chiamata "squeezing" (compressione). Invece di cercare di eliminare completamente il rumore, lo rimodellano. Prendono l'incertezza da una proprietà, come la posizione, e la spingono in una proprietà diversa, come il momento, che è meno importante per il compito da svolgere. Ciò consente loro di vedere molto più chiaramente il segnale che stanno cercando, creando efficacementmente uno stato della materia più silenzioso di quanto la natura consenta solitamente.

Per decenni, ottenere questo tipo di controllo su oggetti meccanici è stato incredibilmente difficile, specialmente per qualsiasi cosa più grande di un singolo atomo. La maggior parte degli esperimenti riusciti ha richiesto il congelamento degli oggetti a temperature vicine allo zero assoluto e l'uso di complessi circuiti elettronici per stabilizzarli. Tuttavia, un team di ricercatori dell'ETH di Zurigo ha trovato un modo per comprimere il moto di un piccolo oggetto solido a temperatura ambiente, senza la necessità di un freddo estremo. Hanno lavorato con una singola nanoparticella, un ammasso di sfere di silice del diametro di circa centoventi nanometri, che è circa mille volte più sottile di un capello umano. Questa particella non era incollata o ancorata a una superficie; invece, era sospesa in aria da un fascio di luce laser, una tecnica nota come levitazione ottica. Intrappolando la particella in una camera a vuoto e raffreddandone il moto utilizzando lo stesso fascio di luce, i ricercatori hanno portato il moto rotatorio della particella, o librazione, al suo stato di energia più basso, noto come stato fondamentale quantistico.

La svolta è avvenuta quando gli scienziati hanno deciso di cambiare le regole della trappola che tiene la particella. Normalmente, la luce laser crea una forma stabile a scodella che mantiene la particella centrata. Se la particella si allontana dal centro, la luce la spinge indietro, proprio come una biglia che si trova sul fondo di una ciotola. I ricercatori, tuttavia, volevano fare qualcosa di diverso. Hanno cambiato rapidamente l'orientamento della polarizzazione del laser, ribaltando efficacementamente la ciotola sottosopra. In questa nuova forma invertita, il centro non è più un luogo di riposo sicuro, ma una vetta precaria. Se si pone una biglia sulla cima di una collina, anche la minima spinta la farà rotolare via, e più rotola, più accelera. Questo è ciò che i ricercatori hanno creato per la loro nanoparticella: un potenziale invertito dove la particella è appollaiata su una vetta di instabilità.

Quando la particella è stata posta in questo potenziale invertito, il suo moto ha iniziato a cambiare in modo drammatico e prevedibile. Inveve di oscillare dolcemente avanti e indietro, le fluttuazioni nella sua posizione e velocità hanno iniziato a crescere esponenzialmente. Un aspetto del suo moto è stato allungato e amplificato, mentre l'aspetto perpendicolare è stato compresso e stretto. Questo processo è avvenuto con una velocità incredibile. In soli duecentocinquanta nanosecondi — un tempo così breve che è meno di un quinto di un singolo ciclo di oscillazione — i ricercatori avevano compresso il moto della particella di undici decibel al di sotto del livello delle fluttuazioni del vuoto. Questa è una riduzione significativa del rumore, il che significa che la particella si trovava in uno stato di moto molto più preciso di quanto sia normalmente possibile. L'esperimento ha dimostrato che, utilizzando questo potenziale invertito, potevano generare la compressione quantistica molto più velocemente del tasso con cui l'ambiente normalmente distruggerebbe il delicato stato quantistico.

Il team ha anche osservato quanto tempo potesse sopravvivere questo stato compresso. Una volta che la particella è stata riportata in una trappola stabile, lo stato compresso ha iniziato a svanire, tornando infine a uno stato normale e rumoroso dopo circa trenta periodi di oscillazione. I ricercatori hanno determinato che questo decadimento era causato proprio dalla luce utilizzata per raffreddare e misurare la particella, che introduceva una piccola quantità di rumore casuale. Hanno calcolato che, se avessero potuto rimuovere questa specifica fonte di rumore, lo stato compresso sarebbe potuto durare per circa duecentoquaranta periodi di oscillazione, quasi dieci volte più a lungo di quanto osservato. Ciò suggerisce che il limite attuale non è una legge fondamentale della fisica, ma piuttosto un ostacolo tecnico che può essere superato con un migliore design sperimentale.

Questo lavoro è significativo perché dimostra un nuovo modo per controllare il comportamento quantistico di oggetti massicci senza la necessità di refrigerazione criogenica. I metodi precedenti per ottenere una compressione così forte si basavano su complessi allestimenti elettronici in ambienti gelidi. Utilizzando la luce per creare un potenziale instabile, i ricercatori hanno dimostrato che il controllo quantistico a temperatura ambiente è possibile. La capacità di generare questi stati compressi così rapidamente e a temperatura ambiente apre la strada a nuovi tipi di sensori che potrebbero rilevare forze o particelle incredibilmente deboli. Fornisce inoltre una piattaforma per testare i confini della meccanica quantistica, permettendo agli scienziati di vedere quanto un oggetto possa essere grande pur comportandosi ancora secondo le regole quantistiche. L'esperimento dimostra che, manipolando la forma del panorama energetico, i ricercatori possono accelerare la generazione di stati quantistici, offrendo un potente nuovo strumento per il futuro della sensoristica quantistica e della metrologia.