Fononi invece di fotoni per comunicare con un atomo artificiale

Pubblicato Venerdì, 12 Settembre 2014 06:46

Scritto da Elisabetta Bonora

Credit: Philip Krantz, Krantz NanoArt

Il suono al posto della luce. I ricercatori della Chalmers University of Technology sono stati i primi a mostrare l'uso dei fononi per comunicare con un atomo artificiale.

I risultati saranno pubblicati sulla rivista Science.

Propagating phonons coupled to an artificial atom [abstract]

Quantum information can be stored in micromechanical resonators, encoded as quanta of vibration known as phonons. The vibrational motion is then restricted to the stationary eigenmodes of the resonator, which thus serves as local storage for phonons. In contrast, we couple propagating phonons to an artificial atom in the quantum regime and reproduce findings from quantum optics with sound taking over the role of light. Our results highlight the similarities between phonons and photons but also point to new opportunities arising from the unique features of quantum mechanical sound. The low propagation speed of phonons should enable new dynamic schemes for processing quantum information, and the short wavelength allows regimes of atomic physics to be explored that cannot be reached in photonic systems.

L'interazione tra atomi e luce è ben nota ed è stata studiata approfonditamente nel campo dell'ottica quantistica ma ottenere la stessa influenza reciproca con il suono, è stato più impegnativo.
Nello studio, frutto di una collaborazione tra fisici sperimentali e teorici, sono state usate onde acustiche per comunicare con un atomo artificiale.

"Abbiamo aperto una nuova porta nel mondo quantistico parlando e ascoltando gli atomi", ha affermato Per Delsing, a capo del gruppo di ricerca sperimentale. "Il nostro obiettivo a lungo termine è quello di sfruttare la fisica quantistica in modo da poter beneficiare delle sue leggi, per esempio, nei computer estremamente veloci. E lo facciamo tramite circuiti elettrici che obbediscono a leggi quantistiche, che possiamo controllare e studiare".

Un atomo artificiale è un esempio di questi circuiti: proprio come un atomo normale, può essere eccitato fornendo energia, la quale a sua volta può essere riemessa facendo tornare l'atomo allo stato energetico precedente.
Generalemente l'energia utilizzata è sotto forma di luce (fotone), ma l'atomo dell'esperimento Chalmers è stato invece progettato per assorbire ed emettere energia come suono (fonone).

"Secondo la teoria, il suono proveniente da un atomo è suddiviso in particelle quantistiche", afferma Martin Gustafsson, primo autore dell'articolo. "Tale particella è il suono più debole che può essere rilevato".

Dato che il suono si muove molto più lentamente della luce, l'acustica dell'atomo apre la strada a molte nuove possibilità in campo quantistico.
"A causa della bassa velocità del suono, avremo tempo per controllare le particelle quantistiche mentre viaggiano", dice Martin Gustafsson. "Questo è difficile da raggiungere con la luce, che si muove 100.000 volte più velocemente".

La "voce" dell'atomo artificiale è un suono piuttosto acuto, dato che la frequenza utilizzata nell'esperimento è di 4,8 gigaHertz, vicino alle frequenze delle comuni reti wireless moderne. In termini musicali, corrisponde indicativamente a circa venti ottave sopra la nota più alta di un pianoforte a coda.

A tali frequenze elevate, la lunghezza d'onda del suono diventa abbastanza breve tanto da essere guidata lungo la superficie di un microchip.

Il team ha utilizzato un semiconduttore di arseniuro di gallio, un materiale con particolari proprietà meccaniche e piezoelettriche, preparando al centro un circuito lungo 0,01 millimetri (il cosiddetto qubit) che forma l'atomo artificiale. Un trasduttore, formato da 125 coppie di "dita" nanometriche di alluminio e palladio, in grado di convertire un segnale elettrico a microonde in un suono e viceversa, è stato utilizzato per sollecitare l'atomo artificiale. Il tutto si è svolto a temperature prossime allo zero assoluto.

Riferimenti:
- http://phys.org/news/2014-09-atom-captured.html
- http://www.media.inaf.it/2014/09/11/fononi-quantistici/

Note sull'autore

Author: Elisabetta BonoraEmail: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. E' necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Fondatrice e principale publisher di Alive Universe Images. Mi occupo di web e video analytics presso ShinyStat (SV – Italia) ma ho una grande passione per le scienze, l'astronomia in particolare, che vorrei si trasformasse in lavoro. Da diversi anni mi dedico ad elaborare le fotografie rilasciate dalle Agenzie Spaziali Internazionali, scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima! ...Ovviamente, lo avrete capito, sono una fan di Star Trek!