Una sorprendente rotazione nel mondo quantistico

I professionisti del tennis da tavolo sono veri maestri nel deviare proiettili veloci. Un effetto mirato al momento del colpo fa volare la pallina bianca dritta verso il bordo per poi, all’ultimo momento, farla deviare con una curva stretta verso l’angolo sinistro. La meccanica alla base di questa tecnica sportiva è nota come effetto Magnus. Agisce su palline di dimensioni molto diverse e ha già contribuito a molte vittorie anche nel calcio.

Una collaborazione di ricerca internazionale presso l’Istituto Paul Scherrer PSI ha effettuato il salto dalla pallina all’atomo ed è riuscita per la prima volta a dimostrare sperimentalmente il cosiddetto effetto Magnus ottico. In questo caso, però, nessun atomo vola lungo una traiettoria curva. I ricercatori, invece, dirigono un raggio laser fortemente concentrato su un singolo ione e osservano l’interazione che ne deriva.

In questo modo sono riusciti a dimostrare che il massimo di tale interazione è spostato lateralmente: una scoperta importante per lo sviluppo dei computer quantistici, in cui la luce laser viene utilizzata per il controllo preciso dei qubit. I ricercatori riportano i loro risultati sulla rivista specializzata Physical Review Letters.

Quando il centro improvvisamente non è più al centro

Se si dirigesse un raggio laser fortemente focalizzato su uno ione, ci si aspetterebbe che l’interazione più forte si verifichi proprio dove il raggio laser è più intenso: al suo centro. Tuttavia, la forte focalizzazione del laser modifica anche la struttura spaziale del suo campo elettromagnetico. Ciò fa sì che l’interazione con lo ione sia più forte non esattamente al centro del raggio laser, ma leggermente lateralmente a questo. Tale spostamento laterale è l’equivalente ottico dell’effetto Magnus nella pallina da ping-pong.

E proprio come uno spostamento inaspettato nello sport può portare alla perdita della palla, nei computer quantistici può portare alla perdita di controllo. Infatti, in questi sistemi la luce laser viene utilizzata per modificare in modo mirato lo stato dei qubit. L’effetto Magnus ottico può compromettere questo controllo preciso e quindi contribuire a generare errori, se non viene preso in considerazione.

Allo stesso tempo, questo effetto nasconde anche un’opportunità: “Le forze che ne derivano potrebbero essere sfruttate per accoppiare i qubit tra loro e consentire così calcoli più complessi”, spiega il primo autore Philip Leindecker del Centro di ricerca sui fotoni del PSI e del Dipartimento di Fisica del Politecnico federale di Zurigo (ETH).

Una mappa della luce laser

Per rendere visibile l’effetto Magnus ottico, i ricercatori hanno utilizzato un singolo ione di calcio come una sorta di sonda minuscola ed estremamente sensibile. L’atomo caricato elettricamente viene trattenuto in una cosiddetta trappola ionica, in una posizione specifica e praticamente immobile, grazie a campi elettromagnetici. Tali ioni intrappolati vengono utilizzati anche nei computer quantistici: lì possono fungere da qubit, il cui stato quantistico può essere modificato in modo mirato con l’ausilio della luce laser.

Per il loro esperimento, i ricercatori hanno studiato l’intensità con cui lo ione di calcio interagisce in diversi punti con la luce di un laser fortemente focalizzato. “Il nostro ione funziona come un minuscolo sensore che possiamo utilizzare per mappare la struttura della luce laser”, spiega Leindecker. “In questo modo è possibile misurare uno spostamento che ammonta a sole poche centinaia di nanometri.” È emersa anche una proprietà sorprendente di questo effetto: l’entità dello spostamento dipende esclusivamente dalla lunghezza d’onda della luce e non dal grado di focalizzazione del laser.

L’effetto Magnus ottico era già stato previsto teoricamente alcuni anni prima dai ricercatori dell’Università di Amsterdam. Grazie allo ione di calcio intrappolato, il team è ora riuscito per la prima volta a osservare e caratterizzare con maggiore precisione l’effetto Magnus ottico.