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05/03/15 – A chi ha fatto studi scientifici e’ sicuramente capitato di dover affrontare l’incomprensibile paradosso del dualismo onda-particella che possiamo riassumere in questo dilemma: La

luce è pura energia o possiede anche massa? Secondo la visione classica la luce è indubbiamente un’onda elettromagnetica costituita di sola energia che si propaga come un’onda nel mare. Nella prima metà del novecento questa certezza è stata messa in dubbio dall’emergente teoria quantistica che attribuiva alla luce anche proprietà tipiche delle particelle.
Einstein commentava il problema in questo modo: ”Siamo di fronte a un nuovo tipo di difficoltà, ci sono due immagini contraddittorie della realtà (ondulatoria e corpuscolare), nessuna delle due spiega completamente i fenomeni della luce, ma insieme lo fanno”. La luce non è dunque solo un’onda ma anche un flusso di particelle.
Anche Louis de Broglie riteneva che fosse possibile la coesistenza di questo dualismo e considerava le particelle come onde di materia, ovvero corpuscoli con proprietà fisiche tipiche delle onde. La sua teoria trovò presto conferma sperimentale e divenne uno dei capisaldi della meccanica quantistica.
Tuttavia, non vi è mai stato un esperimento in grado di visualizzare la coesistenza contemporanea dei due comportamenti di onda e particella. Fino ad oggi.

Il gruppo di ricerca guidato da Fabrizio Carbone alla EPFL ha recentemente effettuato un esperimento innovativo che interrompe quest’attesa. L’esperimento è impostato in questo modo: un impulso di luce laser viene sparato su un microscopico filo metallico (nanofilo). Il laser aggiunge energia alle particelle cariche nel filo, inducendole a vibrare. La luce viaggia lungo questo nanofilo in due direzioni, come le auto su una strada. Quando le onde che viaggiano in direzioni opposte si incontrano formano un’unica onda stazionaria di luce.
A questo punto viene sparato un flusso di elettroni per visualizzare quest’onda. Infatti, appena gli elettroni interagiscono con la luce confinata sul nanofilo, sotto forma di onda stazionaria, essi vengono accelerati o rallentati. Utilizzando un microscopio ultra-veloce si può visualizzare la posizione in cui si ha tale variazione di velocità. Si visualizza così l’onda stazionaria, che agisce come un’impronta digitale della natura ondulatoria della luce. Ma se questa è la rappresentazione della natura ondulatoria della luce, simultaneamente si osserva anche la sua parvenza di particella. Infatti, quando gli elettroni passano vicino all’onda stazionaria di luce, essi “colpiscono” le particelle di luce, i fotoni. Come accennato in precedenza, questo influenza la loro velocità, facendoli muovere più velocemente o più lentamente. Questo urto tra particelle si manifesta come scambio di energia in “pacchetti” (quanta) tra elettroni e fotoni mettendo in evidenza la natura corpuscolare della luce.

E’ la prima volta in assoluto che si osserva, in una singola istantanea, il comportamento ondulatorio e corpuscolare della luce. De Broglie ne sarebbe sicuramente lusingato.

“Questo esperimento dimostra che è possibile visualizzare un fenomeno quantistico e la sua natura paradossale in modo diretto,” ha dichiarato Fabrizio Carbone, capo del team di ricerca che ha realizzato il lavoro. “Essere in grado di visualizzare e controllare i fenomeni quantistici su scala nanometrica apre una nuova via nello sviluppo dei computer quantici”.

Figura di Fabrizio Carbone/EPFL
Lo strato inferiore dell’immagine mostra “pacchetti” di scambio di energia tra gli elettroni e fotoni, che si traduce in una visualizzazione di particelle di luce, mentre lo strato superiore mostra la natura ondulatoria della luce, in creste di onde stazionarie.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications del 2 marzo 2015

Link: Nature Communications

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