Uno sguardo nel freddo mondo quantistico

Quanto può fare freddo da voi?

Simon Gerber: Recentemente abbiamo effettuato misurazioni a 35 millikelvin – solo 35 millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Si tratta della temperatura più bassa attualmente raggiungibile con il nostro setup sperimentale e, a nostra conoscenza, la più bassa mai registrata in una misurazione mediante diffusione dei raggi X.

Perché deve essere così freddo?

Simon Gerber: Molti stati quantistici si verificano solo a temperature molto basse. Il nostro obiettivo è quindi quello di rappresentare questi stati quantistici e la loro dinamica con l’aiuto dello SwissFEL il più vicino possibile allo zero assoluto. Nessuno lo ha mai fatto prima d’ora.

Può darci un’idea di come riuscite a ottenere questo risultato?

Simon Gerber: Ci siamo ispirati agli esperimenti a raggi X nella biologia strutturale – lì esiste un principio denominato «Diffraction before Destruction», che tradotto significa «misura prima della distruzione». Quando conduciamo esperimenti con i raggi X, il campione si riscalda e subisce danni da radiazione. Con un laser a raggi X a elettroni liberi (FEL), tuttavia, le misurazioni avvengono a una velocità incredibile: i flash di luce sono estremamente intensi, ma durano solo poche decine di femtosecondi o anche meno. In questo modo possiamo quindi catturare un’istantanea prima che avvenga la «distruzione». Ci siamo detti: se questo funziona così bene in biologia, perché il concetto non dovrebbe essere applicabile anche agli stati quantistici?

Bill Pedrini: Un FEL funziona come una fotocamera ultraveloce per il mondo degli atomi. L’idea è la seguente: il diaframma dello SwissFEL è chiuso e il campione è il più freddo possibile. Poi, «hop!», c’è un intenso lampo di luce e scattiamo un’istantanea dello stato quantistico prima che i raggi X lofacciano scomparirea causa del riscaldamento.

Sarebbe quindi possibile, registrando diverse istantanee, creare un «filmato» di uno stato quantistico del genere in azione?

Simon Gerber: Non proprio, perché non appena viene effettuata la misurazione con uno di questi lampi di raggi X estremamente intensi, lo stato quantistico viene distrutto. Per studiarne la dinamica, però, possiamo eccitare in modo coerente gli stati quantistici con impulsi elettrici o ottici e poi osservarne l’evoluzione. In questo modo controlliamo lo stato del sistema quantistico e lo leggiamo successivamente con il FEL – ad esempio quando si commutano gli stati o si esegue l’elaborazione dell’informazione quantistica. Questo è uno dei nostri obiettivi principali.

Gli esperimenti si svolgono presso lo SwissFEL, nella stazione sperimentale Cristallina. A quanto pare, il setup sperimentale è piuttosto unico nel suo genere.

Simon Gerber: In effetti. Il criostato con cui raffreddiamo i campioni a temperature così basse mentre li esaminiamo con il FEL è unico nel suo genere. Già nel 2016, agli albori dello SwissFEL, abbiamo iniziato a pensare a esperimenti di questo tipo. Ci è voluto un po’ di tempo e di impegno per capire come poterli effettivamente realizzare. In definitiva, è tutta una questione di lavoro di squadra ed è possibile solo se molti esperti con competenze diverse collaborano per raggiungere lo stesso obiettivo.

Bill Pedrini: La parte più difficile è stata la progettazione del criostato, comprese le diverse finestre per i raggi X in entrata. L’altra parte – la costruzione della linea di fascio e dell’infrastruttura sperimentale – è stata certamente complessa, ma abbiamo potuto attingere a tecnologie collaudate e alle competenze specialistiche concentrate qui al PSI, traendone enormi vantaggi.

Ci racconti qualcosa in più sulla vostra prima misurazione.

Simon Gerber: Abbiamo studiato un materiale che presenta un tipo insolito di magnetismo: un antiferromagnete quantistico. Il materiale era già stato studiato alcuni anni prima presso la fonte svizzera di neutroni da spallazione SINQ del PSI. Era quindi ideale per un esperimento di prova di concetto basato sui risultati della diffusione neutronica.

Bill Pedrini: In questo materiale lo stato antiferromagnetico si manifesta solo al di sotto di alcune centinaia di millikelvin. È una temperatura molto bassa. Poiché la temperatura di base del nostro criostato è di 35 millikelvin, non avevamo molto margine di manovra.

Simon Gerber: Quando si costruisce qualcosa di nuovo, si esegue innanzitutto una misurazione di riferimento. Questa è stata impegnativa, ma realistica. Ora sappiamo che con lo SwissFEL possiamo raggiungere questo intervallo di temperature estremamente basse. Stiamo vivendo un momento davvero entusiasmante. 

A parte la curiosità, perché è importante per noi poter accedere a questo intervallo di temperatura?

Bill Pedrini: Queste proprietà quantistiche offrono applicazioni per le tecnologie del futuro. Per questo motivo, la stazione sperimentale è progettata in modo tale che, in linea di principio, potremmo misurare anche componenti di computer quantistici e sensori quantistici.

Dopo il successo dei primi esperimenti, quali saranno i prossimi passi?

Bill Pedrini: Abbiamo già ricevuto la visita dei primi utenti esterni e siamo curiosi di sapere quali esperimenti proporranno i gruppi futuri. Si tratta sempre di stati quantistici che si verificano a temperature molto basse e che non possono essere misurati con altri metodi. Ciò può essere dovuto al fatto che sono molto sensibili e scompaiono facilmente quando si cerca di misurarli. Oppure esistono solo cristalli molto piccoli del materiale quantistico, oppure, come spiegato prima, ci si interessa alla dinamica degli stati quantistici.

Cosa la motiva personalmente a condurre esperimenti di questo tipo?

Simon Gerber: Questi stati quantistici sono molto difficili da cogliere. Trovo fenomenale il fatto che qui abbiamo una telecamera in grado di riprendere a una temperatura record di 35 millikelvin. Lo stato quantistico è lì e – zac – ne facciamo un’istantanea. Lo vediamo nel nostro spazio e nel nostro tempo, sui nostri rivelatori. È incredibile.

Bill Pedrini: Ci troviamo qui ai confini della tecnologia. La maggior parte delle apparecchiature che utilizziamo a Cristallina e allo SwissFEL non sono prodotte in serie. Ma ne abbiamo bisogno, quindi le sviluppiamo noi stessi. La sfida di trovare nuove soluzioni e di perfezionare tecniche e apparecchiature: è questo che mi motiva.

Simon Gerber: E questo fa progredire lo sviluppo di tecnologie utili ben oltre la fisica quantistica…

Potrebbe spiegarci meglio questo concetto?

Simon Gerber: Ci occupiamo di ricerca fondamentale in fisica, ma dobbiamo sviluppare soluzioni tecniche per raggiungere i nostri obiettivi. Prendiamo ad esempio le microonde con cui controlliamo gli stati quantistici. Ciò ha a che fare con la sincronizzazione, e per questo abbiamo dovuto sviluppare nuove procedure. Tali segnali di sincronizzazione possono avere molteplici possibilità di applicazione, non solo allo SwissFEL.

I nostri ambiziosi esperimenti fungono da catalizzatore per lo sviluppo tecnologico. Se non ci spingiamo fino al limite, tali tecnologie non verranno mai sviluppate.

Quali ripercussioni ha tutto ciò sull’industria locale?

Simon Gerber: Il supporto in carbonio, leggero e rigido, per il criostato ne è un esempio. È stato sviluppato in collaborazione con un’azienda locale di ingegneria meccanica. Per soddisfare le nostre esigenze, l’azienda ha dovuto capire come incollare con estrema precisione le fibre di carbonio e l’alluminio. Questo know-how può ora essere applicato anche ad altri settori in cui sono richieste alta precisione e strutture robuste e leggere.

Bill Pedrini: Oppure guardi il nostro pavimento. La stazione sperimentale Cristallina è progettata in modo flessibile: oltre che per esperimenti quantistici, viene utilizzata anche per lo studio delle proteine. Per ottenere questa flessibilità, è necessario spostare avanti e indietro strumenti del peso di diverse tonnellate con precisione e senza vibrazioni. La nostra soluzione consiste in un pavimento in granito ultrapiatto ed estremamente liscio, sul quale gli strumenti fluttuano su cuscini d’aria. La precisione richiesta all’industria locale per questo progetto è utile in molti altri settori, sia in Svizzera che all’estero.