Un nuovo e significativo risultato nel campo della fisica quantistica arriva dai laboratori del LENS di Sesto Fiorentino, dove è stata osservata per la prima volta una corrente alternata in una giunzione Josephson realizzata con atomi ultrafreddi.
La scoperta, pubblicata sulla rivista Science, rappresenta un avanzamento rilevante per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche di nuova generazione e conferma il ruolo del LENS come centro di eccellenza a livello internazionale nello studio dei sistemi quantistici basati su atomi ultrafreddi.
Giunzioni Josephson atomiche e meccanica quantistica
L’esperimento è stato condotto da un team di ricerca del LENS e del CNR-INO (Consiglio nazionale delle ricerche – Istituto nazionale di Ottica), con il supporto teorico dell’Università di Catania e del Technology Innovation Institute (TII) di Abu Dhabi. Al progetto hanno partecipato anche ricercatrici e ricercatori dell’Università di Firenze e dell’Università Nazionale Autonoma del Messico (UNAM), ospitati nei laboratori fiorentini.
I ricercatori hanno realizzato una giunzione Josephson atomica utilizzando atomi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. Gli atomi sono separati da una barriera estremamente sottile creata dalla luce laser, che secondo la fisica classica dovrebbe risultare impenetrabile. Tuttavia, grazie all’effetto tunnel quantistico, le particelle riescono ad attraversarla collettivamente senza dissipare energia, comportandosi come se la barriera fosse completamente trasparente.
Corrente alternata e Shapiro steps
La vera novità dell’esperimento consiste nell’aver iniettato una corrente alternata all’interno della giunzione atomica. In queste condizioni, il flusso di atomi che attraversa la barriera genera una differenza di potenziale quantizzata, caratterizzata da una serie di “gradini” la cui altezza è direttamente proporzionale alla frequenza della corrente applicata. Questi fenomeni sono noti come Shapiro steps, ben conosciuti nelle giunzioni Josephson superconduttive, ma mai osservati prima in modo così controllato in un sistema atomico.
“Le giunzioni Josephson sono già oggi fondamentali per lo sviluppo di sensori quantistici e computer del futuro”, spiega Giacomo Roati, dirigente di ricerca del CNR-INO e coordinatore dell’attività sperimentale. “Nelle loro versioni realizzate con atomi ultrafreddi offrono un livello di controllo senza precedenti e un funzionamento estremamente sostenibile dal punto di vista energetico, permettendo di osservare direttamente i meccanismi microscopici che danno origine a comportamenti macroscopici”.
Controllo quantistico e sincronizzazione atomica
L’elevata precisione con cui il sistema può essere manipolato ha consentito al team di chiarire il meccanismo fisico alla base della sincronizzazione che genera gli Shapiro steps nelle giunzioni Josephson atomiche. “Grazie al controllo fine degli atomi nella giunzione siamo riusciti a identificare in modo diretto il processo di sincronizzazione responsabile di questo fenomeno”, sottolinea Giulia Del Pace, ricercatrice dell’Università di Firenze e prima autrice dello studio.
Questo risultato apre nuove prospettive per la comprensione dei fenomeni quantistici collettivi e per la progettazione di dispositivi sempre più precisi e affidabili.
Atomtronica e tecnologie quantistiche del futuro
Dal punto di vista teorico, lo studio si inserisce nel filone emergente dell’atomtronica, un settore che mira a realizzare circuiti in cui non scorrono elettroni, ma correnti di atomi neutri guidate dalla luce. “Così come nell’elettronica la corrente si muove nei metalli o nei semiconduttori, nei circuiti atomtronici gli atomi fluiscono in strutture create con laser”, spiega Luigi Amico, coordinatore del gruppo teorico dell’Università di Catania e del TII.
Le potenzialità applicative sono considerevoli: dai sensori quantistici ad altissima sensibilità ai nuovi paradigmi per l’elaborazione dell’informazione quantistica, fino a dispositivi a bassissimo consumo energetico. La dimostrazione sperimentale delle correnti alternate nelle giunzioni Josephson atomiche rappresenta quindi un tassello fondamentale verso lo sviluppo delle tecnologie quantistiche del futuro.
