Meccanica quantistica

La realtà fisica in due dimensioni

Alla scoperta della fisica in due dimensioni“Chiamo il nostro mondo Flatlandia, non perché sia così che lo chiamiamo noi, ma per renderne più chiara la natura a voi, o lettori beati, che avete la fortuna di abitare nello spazio”. Così scriveva Edwin A. Abbot ('Flatlandia', Feltrinelli) nel lontano 1882, raccontando la vita in un mondo a due dimensioni e mostrando le consuetudini di una società che apparirebbe a noi abitanti del mondo tridimensionale quanto meno bizzarra.

Quello che potrebbe sembrare solamente un racconto di fantasia diviene ai nostri giorni quasi una profezia, dal momento che sono stati assegnati tre premi Nobel per la Fisica a David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane e J. Michael Kosterlitz per “aver fatto luce su strani stati della materia (in due dimensioni)”.

Come scriveva Abbot, la realtà fisica in due dimensioni è molto diversa da quella che osserviamo nel mondo attorno a noi. In Flatlandia prendono vita nuovi stati della materia che possono essere spiegati solamente dalle leggi della meccanica quantistica. E queste fasi quantistiche sono oggi oggetto di una intensa ricerca, allo scopo di sviluppare nuovi dispositivi elettronici, in grado, si spera, di avere un forte impatto sulla vita quotidiana.

I sistemi bidimensionali devono il loro comportamento unico alla combinazione di statistica quantistica, forte correlazione tra le particelle, dimensionalità e topologia. Questi tre ingredienti sono tutti fondamentali, ma allo stesso tempo difficili da controllare nei sistemi convenzionali. Innanzitutto il numero di gradi di libertà di un sistema elettronico reale è gigantesco.

Gli Universi Paralleli e la Ragnatela Cosmica

UniversoIl nostro Universo potrebbe essere veramente grande, immenso ma finito, oppure potrebbe essere infinitamente grande. Entrambi i casi sono possibili ma se è vero il secondo caso allora ciò potrebbe implicare l’esistenza di tanti modi con cui la materia può esistere e aggregarsi. Ma se l’Universo è infinitamente grande, può ospitare un numero infinito di universi paralleli.

L’idea di universi paralleli nella fisica fu estrapolata dalla meccanica quantistica diversi anni fa, ma non è ancora stata dimostrata, almeno a livello macroscopico.

Infatti alcuni anni fa è stato prodotto il cosiddetto “gatto di Schrodinger”, ossia “uno stato sovrapposto di due realtà”, uno in cui un gatto è vivo e contemporaneamente un altro in cui lo stesso gatto è morto.

In verità si potrebbe dire che si trattava, più che altro, di un “gattino” di Schrodinger, in quanto nell’esperimento si trattava di un atomo di rubidio, ergo ciò si applicava solo a livello microscopico.

Comunque sia, questa scoperta è stata un importante tassello per lo studio degli universi paralleli. Infatti si è riusciti a rilevare per la prima volta lo sdoppiamento di un singolo atomo ad una distanza rilevante fra i due “doppi” risultanti. Ciò è stato possibile a temperature vicino alla zero assoluto, poiché solo rallentando lo sdoppiamento esso poteva essere osservato prima che l’atomo di rubidio diventasse uno solo, sopprimendo in tal modo dal nostro universo l’altra realtà inizialmente scaturita per lasciarne in esistenza una sola.

Ma che dire di un sistema non quantistico?

Dispositivi quantistici per il teletrasporto dell’energia

TeletrasportoLa capacità di teletrasportare l’energia da un punto a un altro potrebbe rivoluzionare il sistema in cui i dispositivi quantistici operano, ma solo se potrà essere fatta funzionare lungo distanze pratiche. Ora i fisici pensano di sapere come fare.

Il teletrasporto è il trasferimento di un oggetto da un punto nell’universo a un altro senza passare attraverso lo spazio che li separa. È una pratica comune in diversi laboratori sparsi in tutto il mondo. Dai primi anni 90, i fisici vi hanno ricorso per teletrasportare oggetti sempre più complessi, partendo dai fotoni e arrivando più di recente a atomi e ioni.

Questo è appena l’inizio, però. Nel 2010 abbiamo osservato lo straordinario lavoro di Masahiro Hotta, della Tohoku University in Giappone, il quale ha elaborato che dovrebbe essere possibile teletrasportare persino l’energia. Si tratta di un’ipotesi che avrebbe profonde implicazioni nel sistema in cui i dispositivi quantistici e le macchine potrebbero funzionare nel futuro.

Il teletrasporto dell’energia ha però delle importanti limitazioni – la distanza entro la quale può essere trasferita. Le limitazioni sono talmente gravi da offuscare anche un ipotetico utilizzo del teletrasporto energetico nella nanoscala. Questa “forte limitazione distanziale ha ostacolato la verifica sperimentale”, dice Hotta.

Ora, però, lui e un paio di colleghi dicono di aver scoperto un sistema per aggirare questa limitazione e trasferire l’energia attraverso qualunque distanza, o quasi. E questo nuovo protocollo per il teletrasporto dell’energia dovrebbe consentire per la prima volta la verifica sperimentale.

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