L’EFFETTO TUNNEL SU BARRIERE MULTIPLE

Solidarietà tra particelle quantistiche

Un gruppo di ricerca dell’Istituto di Fisica Sperimentale dell’Università di Innsbruck ha osservato il comportamento di un insieme di atomi di cesio durante un fenomeno tipico della fisica quantistica, l’effetto tunnel. Evidenziando la capacità delle particelle di “aiutarsi” reciprocamente per superare un ostacolo. I risultati su Science

Una nube di gas interstellare probabilmente formata a causa dell'effetto tunnel. Crediti: NASA

Una nube di gas interstellare probabilmente formata a causa dell’effetto tunnel. Crediti: NASA

Immaginate di far rotolare una palla giù da un pendio. Ma alla fine della discesa c’è una bella salita, altrettanto scoscesa: è chiaro che la palla potrà percorrerne solo un tratto, per poi tornare indietro non appena avrà perso velocità. Non si scappa, sono le leggi della fisica; almeno quella classica.

Nella meccanica quantistica però questa regola non vale più. Se al posto della palla aveste, ad esempio, un elettrone, e lo faceste “rotolare” lungo il solito pendio, potreste osservare un comportamento completamente diverso. Molto più simile a quello di un’onda, a cui è associata una funzione corrispondente alla probabilità di trovare una particella in una determinata posizione. E nel caso del nostro elettrone, tra le varie possibilità c’è anche quella di superare la salita. Il che significa che, tecnicamente, la particella potrebbe fare ciò che al pallone da calcio non sarà mai concesso: oltrepassare l’ostacolo e andare dall’altra parte.

Questo fenomeno è chiamato effetto tunnel, e indica appunto la capacità di una particella quantistica di attraversare spontaneamente una barriera arbitrariamente alta.

Oggi l’effetto tunnel è stato studiato in diversi contesti, dal decadimento radioattivo nucleare alle reazioni di fusione all’interno delle stelle: eventi possibili proprio grazie alla possibilità delle particelle di oltrepassare i limiti imposti dalla fisica classica.

Ma per quanto complessi, tutti questi fenomeni sono riconducibili allo stesso schema: una singola particella che penetra attraverso una singola barriera. Come funziona invece l’effetto tunnel di fronte a sistemi più articolati?

L'effetto quantistico esercitato da alcune particelle attraverso una serie di barriere. Crediti: University of Innsbruck

L’effetto quantistico esercitato da alcune particelle attraverso una serie di barriere. Crediti: University of Innsbruck

Se l’è chiesto un gruppo di ricerca dell’Istituto di Fisica Sperimentale dell’Università di Innsbruck, in Austria. Che per la prima volta ha osservato il comportamento di un insieme di particelle quantistiche in presenza di una serie di barriere (fino a 5).

I risultati, pubblicati su Science, mostrano la capacità di questi oggetti quantistici di “aiutarsi” reciprocamente per superare gli ostacoli multipli.

Questo significa che, mentre una singola particella non sarebbe in grado di oltrepassare le 5 barriere solo con le proprie forze, l’interazione con le altre particelle le permette di aggirare il problema.

 I ricercatori, guidati dal fisico Hanns­ Christoph Nägerl, hanno utilizzato alcuni atomi di cesio a temperature estremamente basse, appena sopra lo zero assoluto. Le barriere erano invece formate da una struttura a reticolo attraversata da luce laser.

I dati raccolti hanno mostrato che in presenza di questi ostacoli si attivava una sorta di interazione speciale tra le particelle, che permetteva loro di superare le varie barriere.

Lo studio parla così di “effetto tunnel ad ampio raggio”, proprio per evidenziare la natura complessa di questa interazione.

Restano da indagare le possibili applicazioni della ricerca, che secondo gli autori potrebbero andare dall’elettronica quantistica alla biologia. Per ora, i fisici si godono l’idea che tra le particelle quantistiche possa persino regnare l’umano senso di solidarietà tra simili.