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Un salto di qualità nella misurazione del movimento meccanico

I ricercatori finanziati dall’UE hanno sviluppato un dispositivo su scala nanometrica in grado di misurare il movimento meccanico con livelli di precisione estremamente elevati. Questa scoperta potrebbe avere importanti ripercussioni sul settore high-tech, dalle aziende specializzate nella produzione di cellulari alle case automobilistiche.
Un salto di qualità nella misurazione del movimento meccanico
La misurazione esatta della posizione in fisica risale a circa un secolo fa, quando un dibattito sull’ipotesi atomica è stato risolto definitivamente dall’attenta osservazione del moto browniano. Oggigiorno, i ricercatori che operano nel campo dell’optomeccanica quantistica in cavità sperano di trovare la risposta a domande di così grande spessore.

L’optomeccanica in cavità, un campo venuto alla ribalta negli ultimi dieci anni, si basa sull’applicazione della pressione di radiazione – una forza non percettibile su scala macroscopica – per il controllo e la misurazione del movimento meccanico degli oscillatori nano e micromeccanici con un livello di sensibilità senza precedenti.

Il principale contributo offerto dal progetto QCDOM, finanziato dall’UE, consisteva nello sviluppo di un sistema nano-optomeccanico delle dimensioni di un chip, in grado di garantire misurazioni estremamente precise. La tecnologia consiste in un microrisonatore ottico – un dispositivo in grado di confinare la luce in volumi microscopici su un chip per un lungo periodo di tempo – associato a un piccolo oscillatore nanomeccanico, ovvero una corda vibrante meccanica

“Attraverso un efficace abbinamento tra l’oscillatore nanomeccanico e il campo in cavità ottica, siamo stati in grado di ottenere un livello di precisione delle misurazioni del movimento meccanico mai raggiunto finora,” ha spiegato il coordinatore del progetto prof. Tobias Kippenberg, dell’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera. Questo livello di sensibilità è sufficiente per risolvere l’equivalente delle fluttuazioni di vuoto quanto-meccaniche di un oscillatore meccanico nel tempo di decoerenza termica, vale a dire il tempo impiegato dall’ambiente per distruggerne lo stato quantico. Durante i lavori, i ricercatori sono riusciti a intravedere gli effetti quantistici dell’atto della misurazione.

Per raggiungere questo traguardo, Kippenberg e il suo team si sono avvalsi della collaborazione di un esperto di ottica quantistica, il dott. Dal Wilson, del prestigioso California Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, negli Stati Uniti, grazie a una borsa internazionale di accoglienza Skłodowska-Marie Curie dell’UE. Il progetto biennale si è concluso alla fine di novembre 2015 e i risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature.

La capacità di ottenere una lettura così precisa del movimento meccanico ha messo in luce i limiti imposti dalla meccanica quantistica in tale ambito e, nello specifico, l’impossibilità di calcolare la posizione e il moto di un oscillatore meccanico con un livello di precisione arbitrario. Ciò determina un’importante retroazione “quantistica” delle misurazioni che si rivela apprezzabile negli esperimenti condotti.

Risvolti pratici

Il progetto di natura teorica potrebbe anche avere delle implicazioni sul piano tecnologico. Per esempio, le misurazioni precise del movimento sono già state utilizzate nei sensori dei sistemi micro/nanoelettromeccanici (Micro/nano-ElectroMechanical System, MEMS) attualmente disponibili in commercio per la misurazione dell’accelerazione o della rotazione. I telefoni cellulari utilizzano risonatori piezomeccanici per filtrare i segnali a radiofrequenza, mentre gli oscillatori meccanici al quarzo, impiegati per il cronometraggio e la navigazione, sono presenti nei comandi delle automobili e degli aeroplani.

I sensori nano-optomeccanici sviluppati nell’ambito del progetto QCDOM presentano anche altre funzioni potenziali, tra cui la capacità di effettuare misurazioni accurate della temperatura e di amplificare i segnali a radiofrequenza deboli.

“Va osservato che, in appena dieci anni, abbiamo assistito alla nascita di un paradigma del tutto nuovo per l’attivazione, la lettura e il controllo di oscillatori micro e nanomeccanici”, ha detto Kippenberg. “Queste scoperte hanno già permesso di compiere importanti progressi nel settore della fisica quantistica sperimentale, e il progresso scientifico è straordinario”. Studi sperimentali come il nostro rivelano l’enorme potenziale tecnologico che potrebbe essere sfruttato da questi sistemi opto ed elettromeccanici”.

La capacità di misurare un aspetto così importante come la posizione di un oggetto macroscopico con un livello di precisione sempre più elevato potrebbe spingere i ricercatori a osservare e verificare previsioni inusuali della teoria quantistica su scale dimensionali senza precedenti.

Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web del laboratorio del coordinatore del progetto.

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Keywords

QCDOM, optomeccanica quantistica in cavità, oscillatori nanomeccanici, MEMS