Fononi virtuali diventano reali

Fononi virtuali diventano reali

di Calla Cofield

Attivare la compressione

Un analogo acustico dell’effetto Casimir dinamico (DCE) è stato dimostrato per la prima volta. Effettuato da fisici in Francia, l’esperimento consiste nel convertire fluttuazioni quantistiche in coppie di onde sonore quantizzate – o fononi – in un gas ultrafreddo. Il sistema sperimentale potrebbe aumentare la nostra comprensione di come la radiazione emerga spontaneamente dal vuoto. Infatti, la squadra è impegnata nel modificare il set-up in modo che possa essere utilizzato per simulare la radiazione Hawking, un tipo di radiazione spontanea dal vuoto che si crea al confine dei buchi neri. Uno degli aspetti più peculiari della meccanica quantistica è che il vuoto non è veramente vuoto. Invece contiene una piccola quantità di energia e ribolle di particelle che appaiono dal nulla, solo per sparire di nuovo. Una conseguenza di questo è la forza di Casimir, dove due specchi paralleli ravvicinati nel vuoto, risentono di una forza di attrazione. Mentre la forza è stata proposta nel 1948 dal fisico olandese Hendrik Casimir, è così piccola che non è stata misurata in laboratorio prima del 1997.

Separare le particelle virtuali

Nel 1970 il fisico americano Gerald Moore ha proposto l’effetto Casimir dinamico, che si basa sul sistema originale di Casimir e mostra come questi fotoni virtuali possano essere convertiti in fotoni reali. L’idea è che la fase di un’onda elettromagnetica va a zero sulla superficie di uno specchio. Tuttavia, se lo specchio viene accelerato ad una frazione significativa della velocità della luce, il campo elettromagnetico non ha tempo per regolarsi. Il risultato è che lo specchio può separare le particelle virtuali prima che si annichiliscano – tenendole in vita abbastanza a lungo per essere rilevate.

Tuttavia, accelerare gli specchi a queste velocità in laboratorio si è finora dimostrato impossibile. Per ovviare a questo problema, Chris Wilson ei suoi colleghi della Chalmers University hanno utilizzato un superconductor quantum interference device (SQUID) come uno specchio oscillante – e nel 2011 hanno dato la prima dimostrazione del DCE in laboratorio. Ora Chris Westbrook e colleghi del laboratorio di Charles Fabry presso l’Università di Paris-Sud, dicono di aver creato il primo analogo acustico del DCE – che coinvolge fononi virtuali anziché fotoni. Il loro esperimento è stato ispirato dal lavoro teorico svolto nel 2010 da Iacopo Carusotto e colleghi in Italia, dell’Università di Trento. I fisici italiani hanno sostenuto che un effetto Casimir dinamico acustico sia possibile in un condensato di Bose-Einstein (BEC) quando vi è un rapido cambiamento della lunghezza di scattering che governa come i suoi atomi costituenti interagiscono. Un BEC si forma quando i bosoni identici – particelle con spin intero – sono raffreddati fino a quando tutte le particelle si trovano nello stesso stato quantico. I BEC sono un buon mezzo per cercare gli effetti quantistici, perché la loro temperatura estremamente bassa riduce al minimo gli effetti del rumore termico.

Cambiando la velocità del suono

Il team ha creato il suo BEC dal raffreddamento di circa 100.000 atomi di elio a circa 200 nK. Invece di cambiare la lunghezza di scattering, la squadra ha pensato che potrebbe raggiungere il DCE cambiando la velocità del suono all’interno del BEC. Ciò è stato fatto comprimendo il BEC attraverso il rapido aumento dell’intensità del laser che intrappola gli atomi. Questa compressione porta i fononi virtuali a diventare coppie di fononi reali che si propagano in direzioni opposte. Questi fononi non possono essere rivelati direttamente. Invece i fisici spengono il laser e quindi misurano la velocità degli atomi che lasciano la nube. Questo ha dimostrato che eccitazioni con quantità di moto uguale e contrario si muovevano attraverso il BEC – eccitazioni che non sono osservate quando il BEC non viene compresso.

“Prima di applicarmi a questo, ho sentito parlare de [l’effetto Casimir dinamico] e sembrava … insondabile e complicato”, dice Westbrook. “Fare questo dimostra che non lo è. Si tratta di un esempio concreto di ciò che può accadere. E quando la mente lo afferra, è possibile iniziare a modificare le condizioni e pensare ad altre cose [come] la radiazione di Hawking.”

Divorando il suono

Nel 2009 Jeff Steinhauer e colleghi presso l’Istituto di Tecnologia di Israele Haifa hanno prodotto un analogo acustico a un buco nero, che inghiotte il suono invece della luce. Westbrook afferma che il team è particolarmente interessato a combinare i due sistemi per creare finalmente un analogo acustico della Radiazione di Hawking, un tipo di radiazione spontanea del vuoto che si svolge in prossimità del confine dei buchi neri. Un difetto potenziale del nuovo esperimento è che il DCE è influenzato da rumore termico nel BEC – non da fluttuazioni quantistiche del vuoto. Questo perché anche nel freddo dei 200 nK, gli effetti termici sono significativi e, pertanto, si potrebbe sostenere che questo esperimento non dimostri l’effetto Casimir dinamico “puro”. Steinhauer concorda sul fatto che l’obiettivo dovrebbe essere quello di rilevare i fononi correlati che sono prodotti da fluttuazioni quantistiche, ma dice che la ricerca è un “buon passo” verso questo obiettivo.

Daniele Faccio presso la Heriot Watt University di Edimburgo, Regno Unito, concorda sul fatto che il passo più importante successivo sia, per la squadra, quello di abbassare la temperatura del BEC. Tuttavia, Faccio pensa che il lavoro attuale sia ancora una dimostrazione della fisica del DCE. “E’ ancora una emissione spontanea di radiazione e si tratta di una emissione spontanea che viene generata dal cambiamento periodico di una condizione di contorno. Quindi la fisica è lì”, dice Faccio. “Penso che sia un bel lavoro. Estremamente utile”.

Esperimento descritto in Physical Review Letters http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i22/e220401

Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Fonte: http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/dec/03/virtual-phonons-get-real