Articoli del CER - Come intrappolare due elettroni - e rifarlo più e più volte
"Gli elettroni sono in uno strano stato nei materiali superconduttori," comincia il dott. Csonka. "Il nostro obiettivo è usare questi superconduttori per generare coppie di elettroni intrappolati, separati spazialmente che si comportano come un singolo oggetto quantistico." Dentro l'atomo, gli elettroni esistono in orbite intorno al nucleo centrale e proprio come la Terra gira ogni giorno sul suo asse quando orbita intorno al sole, anche gli elettroni girano. Le somiglianze finiscono qui però. Lo spin dell'elettrone è un concetto quasi impossibile da visualizzare ma, poiché le informazioni di questo girare si conservano quando gli elettroni vengono trasmessi, questo spin quantistico potrebbe essere una base per i computer quantici e l'elaborazione delle informazioni. Le particelle come gli elettroni possono anche essere "intrappolate", così che la misura dello spin di una di esse sia correlata allo spin misurato sull'altra - a prescindere da quanto siano lontane l'una dall'altra! La "non-località" di questo intrappolamento significa che due particelle possono essere considerate come un oggetto unico, anche se sono separate da una distanza – un'idea strana che gli scienziati desiderano studiare più dettagliatamente. Dividere le coppie Un esempio specifico di questo è la cosiddetta "coppia di Cooper", naturalmente formata da due elettroni in un superconduttore - un materiale con resistenza elettrica pari a zero o quasi zero. "Il nostro obiettivo è dividere gli elettroni di una coppia di Cooper e portare un elettrone a un'estremità o elettrodo e l'altro membro della coppia all'altra estremità," dice il dott. Csonka. Per fare ciò usa un "Transistor a singolo elettrone" (single-electron transistor o SET) a ciascuna estremità di un superconduttore per "catturare" gli elettroni intrappolati. "Funziona come un tornello nel quale le persone possono entrare solo una ad una," spiega. Il SET permette di aggiungere solo un elettrone alla volta, lasciando il secondo elettrone della coppia libero nel superconduttore. "Ma ai superconduttori non piacciono gli elettroni singoli," continua il dott. Csonka, "quindi l'elettrone libero si muove immediatamente verso l'altra estremità, dove entra in un altro SET, quindi abbiamo un membro della coppia intrappolato a ciascuna estremità." Con le estremità attaccate ai SET, l'apparato diventa un "dispositivo di intrappolamento" in grado di produrre e controllare in modo efficiente coppie intrappolate. "Prima di cominciare, l'efficacia di questi dispositivi era di circa il 3 %," dice il dott. Csonka, "ma abbiamo già ottenuto un'efficienza del 20 % e adesso stiamo lavorando per ottimizzare i transistor e aumentare ulteriormente l'efficacia." Ancora intrappolati? La seconda parte del progetto ha lo scopo di dimostrare che la coppia di elettroni separata non perde il suo intrappolamento e vedere quanto e per quanto tempo gli elettroni possono essere separati rimanendo comunque intrappolati. "Se riusciamo a ottimizzare la divisione, allora le coppie intrappolate possono essere usate nei computer quantistici" spiega il dott. Csonka, "nei quali le parti quantistiche intrappolate dovranno essere posizionate relativamente lontane le une dalle altre." "Inoltre, possiamo associare il nostro generatore di coppie di elettroni intrappolati a un "convertitore elettrone/fotone"," continua. "Le informazioni dello spin dell'elettrone sono quindi tradotte alla polarizzazione del fotone e poiché gli elettroni sono intrappolati, lo sono anche i fotoni." In questo modo un generatore di elettroni intrappolati efficiente e veloce può diventare anche un generatore di fotoni intrappolati. "Producendo in massa" coppie di elettroni e fotoni intrappolati, il dott. Csonka spera di fornire le materie prime per ulteriori sperimentazioni e portare i computer quantistici pratici un passo più vicini alla realtà. Dettagli del progetto: - Ricercatore principale: dott. Szabolcs Csonk - Istituzione ospitante: Università di tecnologia ed economia di Budapest, Ungheria - Progetto: Cooper pairs as a source of entanglement (Coopairent) - Bando CER: Starting Grant 2011 - Finanziamento CER: 1,5 milioni di euro - Durata del progetto: cinque anni Ulteriori informazioni - Sito web del gruppo di ricerca del dott. Szabolcs Csonka Glossario - Interpretazione di Copenaghen – una visione della meccanica quantistica ampiamente accettata che si occupa solo delle probabilità di osservare e misurare proprietà di "particelle", che si comportano anche come onde. – Spin dell'elettrone o "spin quantistico" - come la Terra gira ogni giorno sul suo asse, quando completa la sua orbita annuale intorno al Sole, così gli elettroni hanno la loro "rotazione" quando orbitano intorno al nucleo di un atomo. Qui finiscono le somiglianze, però, poiché questa "rotazione quantistica" non corrisponde a una rotazione nel normale spazio fisico. - Intrappolamento quantistico – è il risultato di due particelle (per es. fotoni o elettroni) che interagiscono in modo che la coppia (la posizione, il momento, la rotazione, la polarizzazione ecc. di entrambe le particelle) è descritta da una singola e inseparabile descrizione quantistica. Secondo l'interpretazione di Copenaghen, i valori osservabili di questo stato condiviso sono indeterminati finché sono misurati, in quel momento un membro della coppia assumerà un valore definitivo (per es. rotazione verso l'alto) e si vedrà che l'altro membro ha assunto un valore correlato (per es. rotazione verso il basso). I risultati delle misurazioni effettuate su ogni singolo membro della coppia sono correlati, a prescindere dalla distanza che separa le particelle intrappolate.