Un nuovo microfono quantistico può misurare le singole particelle sonore

Un team di fisici di Stanford ha sviluppato un “microfono quantistico” così sensibile da poter misurare singole particelle di suono, i fononi. Il dispositivo potrebbe eventualmente portare alla creazione di computer quantistici più piccoli ed efficienti, che operano manipolando il suono piuttosto che la luce. “Prevediamo che questo dispositivo favorirà la nascita di nuovi tipi di sensori quantici, trasduttori e dispositivi di memorizzazione per future macchine quantistiche“, ha affermato il leader dello studio Amir Safavi-Naeini, assistente professore di fisica presso la School of Humanities and Sciences di Stanford.

Studiati per la prima volta da Albert Einstein nel 1907, i fononi sono molecole di energia emessi dagli atomi. Queste molecole indivisibili, i “quanti“, si manifestano come suono o calore, a seconda delle loro frequenze. Come i fotoni, che sono i “portatori” della luce, i fononi sono “quantizzati“, il che significa che le loro energie vibrazionali sono limitate a valori discreti.

Il microfono quantistico può misurare variazioni quasi impercettibili

Fino ad ora, gli scienziati non sono stati in grado di misurare direttamente gli stati dei fononi a causa delle differenze energetiche tra gli stati. “Un fonone corrisponde ad un’energia dieci trilioni di miliardi di volte più piccola dell’energia necessaria per mantenere una lampadina accesa per un secondo“, ha affermato Patricio Arrangoiz-Arriola, coautore dello studio. Per affrontare questo problema, il team di Stanford ha progettato il microfono più sensibile del mondo, che sfrutta i principi quantistici per intercettare i “sussurri degli atomi“.

In un normale microfono, le onde sonore in arrivo oscillano in una sorta di “membrana interna” e questo movimento viene convertito in una tensione misurabile. Questo approccio non funziona per rilevare singoli fononi perché, secondo il principio di incertezza di Heisenberg, la posizione di un oggetto quantistico non può essere conosciuta con precisione senza cambiarla. “Se hai provato a misurare il numero di fononi con un microfono normale, l’atto di misurazione immette energia nel sistema e maschera l’energia stessa che stai cercando di misurare“, ha detto Safavi-Naeini.

Si tratta di uno strumento rivoluzionario

Invece, i fisici hanno escogitato un modo per misurare queste variazioni, e quindi il numero di fononi, direttamente nelle onde sonore. “La meccanica quantistica ci dice che la posizione degli atomi non può essere conosciuta con precisione, ma non dice nulla sull’energia“, ha detto Safavi-Naeini. “L’energia può essere conosciuta con precisione infinita“.

Il microfono quantistico sviluppato dal gruppo è costituito da una serie di risonatori nanomeccanici, così piccoli da essere visibili solo al microscopio elettronico. I risonatori sono accoppiati a un circuito che contiene coppie di elettroni che si muovono senza resistenza. Il circuito forma un bit quantico, o qubit, che può esistere in due stati contemporaneamente e ha una frequenza naturale, che può essere letta elettronicamente. Quando i risuonatori meccanici vibrano, generano infatti fononi in diversi stati.