Processori operanti con i fotoni per realizzare "la penna laser" che scrive sul vetro | Vinto il primo Ricercat@mente

Premiato per la "Penna laser", che vince il premio 'Ricercat@mente' nel settore 'Scienze fisiche e tecnologie della materia con il suo gruppo di circuiti ottici, un 29enne assegnista di ricerca post-doc presso l'Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn) del Cnr di Milano,' Chip di vetro realizzati dalla fisica della luce combinata con la meccanica quantistica.

Sono i primi modelli di processori operanti con i fotoni, per la cui realizzazione Andrea Crespi, ventinovenne assegnista di ricerca post-doc presso l'Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn) del Cnr di Milano, ha vinto il premio 'Ricercat@mente' nel settore 'Scienze fisiche e tecnologie della materia'. Un riconoscimento per il "contributo dato allo studio di circuiti ottici integrati per simulazione e computazione quantistica", come si legge nella motivazione.

Crespi, all'interno del gruppo guidato da Roberto Osellame, utilizza un 'laser a femtosecondi' (milionesimi di miliardesimi di secondo), la cui luce, opportunamente focalizzata, può creare i circuiti all'interno del vetro. "La luce modifica il materiale in modo molto preciso, ossia solo nel punto del fuoco e alla profondità desiderata, senza danneggiarne la superficie", spiega il ricercatore. "Si possono quindi letteralmente 'scrivere' strutture tridimensionali all'interno, usando il laser come una 'penna ottica' in 3D". La tecnica è innovativa: fino a oggi, infatti, gli esperimenti di ottica quantistica hanno manipolato la luce tramite lenti, specchi e filtri macroscopici, delle dimensioni di qualche centimetro. "Quando nell'apparato sperimentale il numero di questi elementi diventa elevato, lo strumento risulta ingombrante, ma anche sensibile alle vibrazioni e alle condizioni ambientali, quindi meno preciso, rendendo difficili o addirittura impossibili esperimenti complessi", prosegue Crespi. "Con la tecnica che usiamo, invece, possiamo miniaturizzare dispositivi che svolgono la stessa funzione dei voluminosi elementi ottici finora in uso". Con applicazioni che vanno dai circuiti ottici a dispositivi per le telecomunicazioni in fibra ottica, fino - in futuro - a elementi per computer quantistici superpotenti.                                                                                                fonte R.it

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Il bello della…matematica!

Sapete il perché le particelle prediligono essere espresse da equazioni belle anziché brutte? Come mai la matematica va d’amore e d’accordo con tutto ciò che è “bello”? Ci pensa il premio Nobel per la fisica Paul Dirac a provare a dare una risposta, anzi…ha provato a darla molto tempo fa, visto che è vissuto nel secolo scorso, con il suo libro “La bellezza come metodo”. Il manoscritto detiene i più importanti scritti e conferenze dell’illustre scienziato, tra i maggiori fondatori della meccanica quantistica e della fisica moderna.
Narrando una parte della propria vicenda scientifica, l’autore prova a spiegare come l’idea di bellezza sia il fondamento della matematica e della fisica. In senso lato, la matematica è lo strumento per indagare il mondo fisico, dunque la “Natura”: questa efficacia della matematica nella fisica è la conseguenza di una corrispondenza – o addirittura di una coincidenza – delle due discipline, che tenderanno ad unificarsi. In tale prospettiva, la bellezza diventa il metodo con cui lo scienziato deve procedere: da un lato essa è una sorta di guida nella ricerca scientifica, dall’altro un criterio di valutazione delle teorie.

"La Bellezza del Mondo" di Dirac

Un esempio del legame tra la matematica, la fisica e la bellezza? In fisica non tutti i fenomeni possono essere rappresentati mediante equazioni semplici: la teoria della relatività di Einstein sviluppa un’elaborazione complessa della gravitazione. Sebbene manchi di semplicità, la teoria viene resa accettabile per tutti. E questo è possibile grazie alla sua bellezza, che si manifesta, ad esempio, nella rivoluzione del concetto di spazio-tempo: le tre dimensioni spaziali e la dimensione temporale sono unificate in un’unica realtà quadridimensionale.

In generale, Dirac preferisce cercare le leggi della Natura partendo dalla matematica astratta, piuttosto che dai fenomeni con cui essa si manifesta. Uno dei due limiti che individua nella meccanica quantistica, infatti, è la “sconfitta” del determinismo, sostituito dalla visione probabilistica. Così la natura è sottoposta alle leggi della probabilità e in qualche modo non più a quelle della matematica: proprio per questo Dirac, raggiungendo le vette del suo ‘matematicismo’, sospetta che i fondamenti della meccanica quantistica non siano ancora definitivi.

Nel libro, lo scienziato premio Nobel racconta come è arrivato alla famosa “equazione di Dirac” (iγ·∂ψ = mψ) - che da lui prende il nome -, la quale descrive il comportamento dell’elettrone tenendo conto sia della meccanica quantistica che della relatività einsteiniana. C’è un problema però: nella meccanica quantistica, e dunque anche nel modo in cui essa descrive le particelle, sono presenti alcuni “infiniti”: si tratta di quantità infinitamente grandi, che di fatto violano i principi fisici. Questi infiniti sono espressione di un’imperfezione, che rende la teoria “brutta”: in questo caso, è un po’ come se dicessimo che anche l’elettrone ‘insegue la bellezza’ (dato che è come se ‘non accettasse’ questa violazione). I fisici perciò pongono riparo al problema mediante altre teorie, come quella della rinormalizzazione, un metodo che cancella queste quantità enormi.

Un altro problema riguarda il valore di “α”, una delle costanti più usate in fisica (che al suo interno contiene un parametro elettromagnetico fondamentale, la carica elettrica elementare); la domanda è: perché il rapporto 1/α vale proprio 137 e non un altro numero? Si tratta di un quesito sondato a lungo che non ha avuto una risoluzione significativa. Dunque, ecco un altro esempio di come la mancanza di bellezza corrisponda all’assenza di una spiegazione matematica (almeno per il momento): a conferma dell’ipotesi dell’autore, secondo cui la bellezza è il fondamento di questa disciplina.

L’autore racconta anche un episodio legato al fisico Schrödinger, il quale non pubblicò l’equazione relativistica sul comportamento dell’elettrone nell’atomo di idrogeno: essa era esteticamente bella, ma non era confermata dagli esperimenti. L’equazione originale di Schrödinger fu riscoperta in seguito da Klein e Gordon, che la pubblicarono. “Credo che ci sia una morale in questa storia”, afferma Dirac nel suo libro. “È più importante che le equazioni siano belle piuttosto che in accordo con gli esperimenti”.

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Buchi neri e fisica quantistica connessi da un legame intrinseco!

Sembrerebbe che i buchi neri e le particelle quantistiche, nella pratica esattamente allocati agli estremi delle scale spaziali a noi conosciute, abbiano qualcosa in comune che be oltre la loro esistenza e convivenza nell'immaginario collettivo di geek e negli appassionati di scienza e fantascienza.
Alcuni fisici teorici sono stati protagonisti di una scoperta che li ha portati a proclamare l’esistenza di una sorta di connessione tra l'entanglement (difficile da tradurre nella nostra lingua tale definizione!), una sorta di legame intrinseco a distanza tra particelle, e i wormhole, una via alternativa ipotetica che permetterebbe la connessione, il raggiungimento di punti diversi dello spazio, attraverso la percorrenza di due buchi neri. Per chi è appassionato di serie televisive di fantascienza come Star Trek, non può non ricordare il principio base della velocità di curvatura o velocità Chocrane, dal nome del suo scopritore, che permetteva di raggiungere distanze nello spazio profondo in pochi giorni o addirittura istanti attraverso la contrazione dello spaziotempo!

Punti estremi scale spaziali

L'intuizione potrebbe senza ombra di dubbio dare una grossa mano alla complessità che ostacola da tempo la convivenza tra la meccanica quantistica e relatività generale, due teorie valide pur andando per vie opposte, e conseguentemente non connesse e raccoglierle in un modello unico e coerente: certamente dinanzi a tutto ciò non mancano gli scettici, secondo cui la connessione scoperta dagli scienziati è soltanto una mera analogia matematica.

Ma in tutta questa complessità sarà meglio andare con ordine, iniziando dal concetto dell’infinitamente piccolo. È difficile da metabolizzare, lo so bene, ma particelle microscopiche come elettroni e quark che ci crediate oppure no, possono essere capaci di “interagire” tra di loro anche a distanze di anni luce, grazie al cosiddetto entanglement, una delle miriadi di bizzarre leggi della meccanica quantistica.

Cerchiamo dunque nel nostro piccolo di capire di cosa stiamo parlando, è per fare ciò sarà necessario compiere un ulteriore passo indietro: nel mondo subatomico, una particella può essere in due diverse condizioni, o stati che dir si voglia, allo stesso tempo.
Facciamo un esempio: un atomo può “ruotare” in una direzione oppure nell'altra (cioè in su o in giù, il cosiddetto spin), ma anche in entrambe le direzioni contemporaneamente. Questo doppio stato, detto anche sovrapposizione quantistica, ha ragione di essere finché non si misura lo spin, ovvero il momento in cui esso “collassa” su uno soltanto dei due stati.

A rendere complicate le cose entra in gioco, per l'appunto, l'entanglement: due atomi possono essere intrinsecamente collegati in maniera tale che entrambi abbiano la stessa sovrapposizione di stati allo stesso tempo. Se si esegue una misura sul primo atomo, provocandone il collasso, per esempio, nello stato di spin “su”, il secondo atomo collasserà istantaneamente nello stato di spin “giù”, nonostante la siderale distanza. All'altro estremo ci sono i wormholes. Sono una conseguenza della teoria della relatività generale secondo Einstein, la quale afferma che gli <<oggetti con massa deformano lo spazio e il tempo – o, meglio, lo spazio-tempo, e creano gli effetti della forza che noi chiamiamo gravità>>.

Se un corpo è abbastanza massivo, può creare una specie di “buco” nello spazio-tempo così ripido che neanche la luce può sfuggirvi: i cosiddetti buchi neri. In linea di principio, due buchi neri separati potrebbero essere connessi, come corni di una tromba, a costruire una specie di “via più breve”, un tunnel, nello spazio-tempo – il wormhole, per l'appunto. Non credete, comunque, che tra entanglement e wormhole si sia potuto bypassare il diktat einsteniano (stavolta ci riferiamo alla relatività ristretta) che si basa sul concetto dell’<<impossibilità di superamento della velocità della luce>>. Il vincolo continua a valere, anche se i fenomeni descritti avvengono istantaneamente. L'entanglement non può essere usato per inviare segnali più veloci della luce perché è impossibile controllare l'esito della misura sull'atomo vicino e di conseguenza impostare quella dell'atomo lontano; e, d'altro canto, non ci si può teletrasportare attraverso un wormhole (ammesso e non concesso che esista) perché sarebbe impossibile uscire dal buco nero all'estremità opposta rispetto all'ingresso.

Fatte queste premesse, ecco cos'è successo, come racconta anche Wired.com. A giugno, Juan Maldacena e Leonard Susskind, fisici teorici rispettivamente dell'Institute for Advanced Study di Princeton e della Stanford University di Palo Alto, hanno immaginato di rendere entangled due buchi neri, quindi poi separarli e tenerli a distanza (congetture solo matematiche, naturalmente). Da queste ipotesi è venuto che si formerebbe un vero wormhole tra i due buchi neri. Ma c'è dell'altro. Due équipe indipendenti di scienziati sostengono che sarebbe possibile creare un wormhole anche tra due particelle quantistiche ordinarie, come i quark. Kristian Jansen, della University of Victoria, e Andreas Karch, della University of Washington, hanno immaginato una coppia quark-antiquark nello spazio tridimensionale, che si allontanano a velocità prossima a quella della luce.

In quel mondo, scrivono gli scienziati su Physical Review Letters, le particelle sono entangled; ma se si considera uno spazio più grande, a quattro dimensioni, di cui lo spazio originario sia solo un sottoinsieme, ecco che l'entanglement diventa un wormhole. Allo stesso risultato, più o meno, è pervenuta anche l'équipe di Julian Sonner, del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, concludendo che a particelle entangled in un mondo tridimensionale corrispondano wormhole in uno spazio a quattro dimensioni. In effetti, tra scorciatoie nello spazio-tempo e realtà a quattro dimensioni, il tutto potrebbe liquidarsi come un mero divertissement matematico. Sono gli stessi Susskind e Maldacena a riconoscerlo. Dal canto suo, Karch sembra nutrire qualche speranza in più: “Il nostro modello offre una realizzazione concreta”, conclude, “dell'idea che la geometria dei wormhole e l'entanglement possano essere manifestazioni diverse della stessa realtà fisica”.

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