L’alchimia arriva in un’esplosione di luce
L'idea suona come una magia, pura e semplice. Crei un raggio di luce che può far svanire le sostanze, dare loro proprietà che non dovrebbero possedere o trasformarle in una perfetta imitazione di un'altra sostanza completamente. È l'alchimia del 21 ° secolo, in linea di principio in grado non solo di rendere il piombo simile all'oro, ma di trasformare i materiali ordinari in superconduttori.
L'approccio generale, sviluppato nel corso di decenni, consiste nell'utilizzare impulsi ottici su misura per rimodellare le nuvole di elettroni di atomi e molecole. All'inizio di questa estate, un team di ricercatori della Tulane University di New Orleans e dei loro collaboratori hanno esteso l'idea. Hanno capito come applicare la strategia a impulsi ai solidi e ai materiali sfusi, riscrivendo le solite leggi che governano il modo in cui le loro proprietà sono dettate dalla loro composizione chimica e struttura. Usando il controllo quantistico, ha detto Gerard McCaul di Tulane, "puoi quasi far sembrare qualsiasi cosa".
Nel frattempo, altri ricercatori hanno già utilizzato impulsi luminosi per evocare la superconduttività – la capacità di condurre elettricità senza resistenza – in materiali che altrimenti non si comporterebbero in questo modo.
Ma forse il vero potenziale della tecnica non sta nel consentire meraviglie del mimetismo, ma nell'indurre altri tipi di trasformazione. I fasci di luce potrebbero essere utilizzati per creare computer ottici abbastanza potenti da risolvere problemi difficili come la fattorizzazione. Le sostanze chimiche potrebbero diventare temporaneamente e selettivamente invisibili, il che aiuterebbe l'analisi di miscele complesse. Le possibilità teoriche sembrano limitate solo dalla nostra immaginazione. In pratica, i limiti possono derivare dalla capacità di comprendere e controllare le interazioni tra luce e materia.
Un piano per un impulso
Dopo l'invenzione del laser nei primi anni '60, molti ricercatori si sono presto resi conto che questi dispositivi potevano essere utilizzati per manipolare le molecole, poiché le nuvole di elettroni delle molecole sentono e rispondono ai campi elettromagnetici della luce laser, in cui tutte le onde oscillano al passo ( cioè coerentemente). Ma per controllare veramente qualcosa, devi essere in grado di stimolarlo o guidarlo sulla scala temporale in cui cambia la sua traiettoria, che è molto veloce per le molecole e ancora più veloce per gli elettroni. All'inizio, gli impulsi laser semplicemente non potevano essere sufficientemente brevi da fornire una sequenza sufficientemente rapida di spinte.
Durante la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90, tuttavia, la durata dell'impulso è stata ridotta a pochi femtosecondi (un femtosecondo è pari a 10-15 secondi), avvicinandosi al lasso di tempo dei moti atomici. Ciò ha permesso ai laser di stimolare e sondare selettivamente quei movimenti. Tuttavia, per controllare effettivamente tali movimenti, all'inizio degli anni '90 Herschel Rabitz , un chimico dell'Università di Princeton, ei suoi collaboratori hanno sottolineato che sarebbero stati necessari impulsi sagomati: forme d'onda complesse che potrebbero guidare il comportamento molecolare lungo percorsi particolari. Quella tecnologia per la modellazione dell'impulso è stata, per fortuna, sviluppata all'epoca per le telecomunicazioni ottiche.
Ma la sfida è immensa. Per controllare il percorso intrapreso da un oggetto macroscopico, diciamo un aliante, devi conoscere la traiettoria che stai cercando di modificare. Per un sistema meccanico quantistico, l'equivalente è sapere come la sua funzione d'onda quantistica si evolve nel tempo, che è determinata da una funzione matematica chiamata Hamiltoniana. E c'è il problema: in tutti i sistemi tranne i più semplici, come un atomo di idrogeno, l'Hamiltoniano diventa troppo complicato per i ricercatori per calcolare esattamente la dinamica della funzione d'onda.
In assenza di quella conoscenza – necessaria per calcolare in anticipo quale impulso di controllo è necessario – l'unica alternativa sembrava essere prova ed errore: provare un impulso di controllo iniziale e poi iterarlo eseguendo lo stesso esperimento ancora e ancora. È come un pilota di aliante che impara ad atterrare provando movimenti casuali della levetta di controllo e poi perfezionando gradualmente quei movimenti dopo aver visto cosa funziona.
Questo è molto più complicato (se meno pericoloso) per i sistemi quantistici rispetto agli alianti. Modellare il polso significa aggiungere più frequenze. La sfida è capire quale combinazione di frequenze è necessaria. "È come un pianoforte, ma peggio, perché aveva circa 128 tasti", ha detto Rabitz. (Oggi, la modellazione dell'impulso potrebbe coinvolgere circa un migliaio di componenti di frequenza.)
Ora McCaul, lavorando con Denys Bondar a Tulane e i suoi colleghi, ha descritto uno schema teorico per calcolare in anticipo il polso richiesto.
Nella meccanica quantistica, una particolare proprietà di una sostanza – conducibilità elettrica, diciamo, o trasparenza o riflettività ottica – corrisponde alla media o "valore atteso" di una quantità osservabile. Se hai la funzione d'onda di una sostanza e sai che tipo di impulso luminoso stai utilizzando, puoi prevedere il risultato – il valore atteso – che otterrai.
Il team di Bondar inverte il problema: si inizia con il risultato che si desidera ottenere (il valore atteso) e si calcola l'impulso luminoso che lo produrrà. Per fare ciò, devi anche conoscere la funzione d'onda del sistema, o equivalentemente la sua hamiltoniana, cosa che in generale non conosci. Ma va bene, purché sia possibile identificare un'approssimazione abbastanza buona: una sorta di funzione d'onda "giocattolo" che si avvicina abbastanza da catturare le caratteristiche importanti di quella reale.
In questo modo, i ricercatori hanno capito come estendere i metodi da piccole raccolte di molecole, dove ci sono solo una manciata di elettroni da controllare, a solidi grandi e voluminosi con un intero mare di elettroni. "Guardiamo il sistema come una nuvola di elettroni e iniziamo a deformare la nuvola", ha detto Bondar. L'impulso di controllo crea una sorta di traccia che gli elettroni devono seguire, quindi l'approccio è chiamato controllo del tracciamento.
Christian Arenz , un chimico teorico del gruppo di Rabitz a Princeton che sta collaborando con il team di Bondar, ha spiegato che questo approccio rende molto più facile trovare il giusto campo di controllo per manipolare le proprietà di una sostanza. In precedenza, la progettazione del campo di controllo era una questione di miglioramento graduale e iterativo, ma l'approccio di tracciamento stabilisce "una nuova strada per il controllo dei sistemi a molti corpi", ha detto Arenz. "Credo che questo lavoro ispirerà notevolmente i futuri metodi di controllo."
Per rimodellare un solido
Gran parte del lavoro iniziale sul controllo quantistico coerente si concentrava (letteralmente) sull'induzione di cambiamenti ben definiti nelle singole molecole, ad esempio pompando selettivamente energia in un dato legame chimico per farlo vibrare fino al punto di rottura, e forse controllando così il corso di un reazione chimica. Ma manipolare più elettroni in modo coerente tutti in una volta in un materiale è una sfida più difficile.
Quando gli atomi si uniscono in solidi, i gusci elettronici più esterni dei vicini si sovrappongono e formano "bande" che si estendono in tutto il materiale. Le proprietà elettroniche ed ottiche dipendono dalle caratteristiche di queste bande. Nei metalli, ad esempio, gli elettroni con le energie più elevate occupano una banda che non è riempita al massimo, quindi gli elettroni possono muoversi attraverso il reticolo atomico, consentendo al materiale di condurre l'elettricità. In un materiale isolante, nel frattempo, la banda a più alta energia occupata dagli elettroni è interamente riempita, quindi non ci sono "spazi" in cui questi elettroni possono muoversi. Rimangono localizzati sui loro atomi e il materiale non conduce.
Tipi più esotici di comportamento elettronico possono derivare da effetti di meccanica quantistica che rendono i movimenti degli elettroni interdipendenti (cioè correlati), come il movimento di gruppi di persone in una folla. Nei superconduttori convenzionali, ad esempio, gli elettroni a più alta energia formano coppie correlate (chiamate coppie di Cooper) che si muovono in sincronia anche se i due elettroni potrebbero essere a una certa distanza, come una persona che insegue un altro tra la folla. Queste coppie di Cooper si comportano tutte in modo identico, dando loro uno slancio inarrestabile che consente a un superconduttore di condurre l'elettricità senza alcuna resistenza. È come se gli elettroni non notassero più il reticolo sottostante dei nuclei atomici.
Ma quali tipi di materiali danno origine a tali proprietà? Di solito per trovarli è necessario andare a pescare nel mare di permutazioni di diversi elementi. È molto lento e richiede molta manodopera: testimonia l'enorme quantità di tempo e impegno spesi nello sviluppo di nuovi materiali superconduttori.
Immagina, tuttavia, che sia possibile invocare una proprietà desiderata in più o meno qualsiasi materiale utilizzando impulsi luminosi per rimodellare il modo in cui gli elettroni sono distribuiti. In questa prospettiva, la struttura delle bande di elettroni non è qualcosa di fissata dal materiale stesso: le bande invece diventano una sorta di stucco che può essere modellato in qualsiasi forma tu desideri. Trova il giusto impulso di controllo e potresti essere in grado di unire una serie di elettroni mobili in coppie di Cooper, diciamo, e quindi creare un superconduttore, forse da qualche sostanza umile come il ferro o il rame, in condizioni in cui sarebbe altrimenti impossibile.
Questa nozione di utilizzare impulsi laser sagomati per specificare e controllare le proprietà dei materiali ha già dato i suoi frutti. Ad esempio, i ricercatori lo hanno utilizzato per alternare materiali tra comportamento isolante e metallico, per controllare le proprietà magnetiche e per attivare la superconduttività . L'idea generale è che gli impulsi di luce ridistribuiscono gli elettroni tra le bande di energia in un modo che punta l'equilibrio tra una fase del sistema e l'altra – tra un metallo e un isolante, diciamo. In questo modo, i ricercatori hanno prodotto superconduttività a temperature di decine di gradi al di sopra degli estremi gelidi normalmente necessari.
Tuttavia, nonostante la sua promessa iniziale, i ricercatori avvertono che il lavoro sperimentale è appena iniziato. "Spostare questa ricerca nel dominio dei solidi estesi, soprattutto in presenza di forti effetti di correlazione, è agli inizi", ha detto George Booth , un fisico teorico al King's College di Londra che sta collaborando con il team di Bondar. Resta da vedere, ha ammonito Arenz, in che misura i loro calcoli per semplici modelli di materiali "possono essere generalizzati ad altri fenomeni e sistemi".
E non importa quanto sia efficace la strategia, queste proprietà alterate persisteranno solo finché applicherai l'impulso di controllo. La struttura elettronica rimodellata non rimarrà al suo posto da sola, proprio come un pezzo di elastico non rimarrà allungato se non continui a tirare. Ma per alcune applicazioni, diciamo nei dispositivi elettronici, potrebbe non avere importanza: potresti essere in grado di "scrivere" le proprietà desiderate nel materiale solo nel momento in cui sono necessarie.
Tutto ciò che può essere
Potreste obiettare che l'approccio crea solo una mimica superficiale – il modo in cui alcuni alchimisti affermavano di aver "fatto l'oro" applicando un trattamento superficiale a un altro metallo che induceva reazioni chimiche per conferire al metallo una lucentezza dorata. Quello non era oro in alcun senso reale.
Bondar non è d'accordo: la trasformazione indotta otticamente, ha detto, "è davvero fondamentale, in realtà". Per indurre un tipo di atomo di metallo alcalino (come il sodio) a imitare otticamente un altro (come il rubidio), devi usare il raggio di controllo per manipolare il momento di dipolo degli atomi – il modo non uniforme in cui la carica elettrica di ogni atomo è distribuita nello spazio, che determina le sue interazioni con i campi elettrici della luce. "Il momento di dipolo influisce su altre cose, comprese alcune proprietà chimiche", ha detto Bondar. La trasformazione va più in profondità della semplice apparenza.
Ciò non significa che gli aspiranti alchimisti laser avranno la capacità di trasformare qualsiasi sostanza in qualcos'altro, però. Michael Först , fisico presso l'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia ad Amburgo, in Germania, pensa che sia possibile indurre comportamenti che potenzialmente esistono già nel materiale in determinate condizioni. "Non possiamo imitare una risposta di un materiale se non esiste affatto", ha detto. "Deve esserci qualcosa nelle proprietà di equilibrio – magari a una temperatura o pressione diversa o in un campo magnetico, diciamo – dove il materiale possiede già la proprietà che stai cercando."
Quindi, invece di trasformare il piombo in oro, i ricercatori stanno risvegliando una particolare risposta simile all'oro da qualcosa che è e rimane sempre piombo. La superconduttività indotta dalla luce, quindi – che Först ha studiato sperimentalmente – non si tratta di creare la superconduttività da zero, ma di abilitarla a temperature più elevate di quanto sarebbe altrimenti possibile. "Il nostro impulso di controllo coerente lo sveglia", ha detto. Il collaboratore di Först Michele Buzzi al Max Planck Institute è d'accordo. "Puoi accedere a stati molto fantasiosi usando la guida, ma non mi spingerei a dire che puoi prendere un materiale e renderlo qualcosa di completamente diverso."
Se è così, fino a che punto si spinge effettivamente la trasformazione indotta dalla luce? Stai davvero creando coppie di Cooper in un superconduttore del genere? Non è ancora del tutto chiaro. Buzzi pensa che nei loro esperimenti "stiamo sincronizzando le coppie di Cooper piuttosto che crearle per cominciare" – cioè, consentendo loro di agire in modo concertato per produrre lo stato superconduttore. "Ma non siamo completamente sicuri di questo", ha detto.
Christiane Koch della Libera Università di Berlino, che lavora su metodi di controllo quantistico per sistemi a molte particelle, pensa che per cambiare veramente il materiale a un livello fondamentale, piuttosto che convincerlo a imitare superficialmente una risposta specifica, i ricercatori dovranno scavare molto in profondità nelle nuvole di elettroni. Ciò richiederà fasci di controllo molto intensi, in modo che le forze dei campi elettromagnetici coinvolti competano con le forze interne che modellano la struttura elettronica intrinseca. Forse si può fare, ha detto, ma non facilmente.
Fare luce su problemi difficili
Alcuni potenziali usi del controllo quantistico coerente non dipendono dalla mimica, ma commerciano invece sul modo in cui accoppia luce e materia in modo "progettato". Uno di questi usi è il calcolo ottico. I fasci di luce sono in linea di principio ottimi portatori di informazioni per il calcolo, ha affermato Bondar, non da ultimo perché è possibile accumulare molte informazioni utilizzando molte lunghezze d'onda contemporaneamente. Ma il problema fondamentale è che è difficile far dialogare due o più raggi. A differenza degli elettroni, ha detto Bondar, "la luce odia interagire con la luce".
Lo schema di controllo del tracciamento di Bondar mostra come questo accoppiamento potrebbe essere ottenuto: con un pezzo di materia, in linea di principio piccolo come un singolo atomo, che viene manipolato da un raggio di controllo. Un secondo raggio che contiene i dati in arrivo interagisce quindi con la materia. L'interazione trasforma i dati per eseguire un calcolo. "Questo apre la strada al calcolo a singolo atomo", ha detto Bondar.
Più sorprendentemente, potrebbe essere possibile utilizzare questo approccio ottico per risolvere problemi difficili come la fattorizzazione molto più rapidamente di quanto possano fare i computer elettronici classici. Bondar e McCaul ritengono che dovrebbe essere possibile implementare un algoritmo di fattorizzazione quantistica chiamato algoritmo di Shor, uno dei primi ad essere proposto per i computer quantistici, utilizzando quella che equivale solo all'ottica classica. "È troppo presto per mettere i computer classici nella pattumiera della storia", ha detto Bondar.
McCaul spera inoltre di utilizzare il controllo del tracciamento per analizzare miscele chimiche complesse, un problema spesso affrontato, ad esempio, nella scoperta di farmaci. Supponi di avere una grande miscela di diverse sostanze chimiche, ha detto. Se conosci lo spettro di ogni componente, come assorbe la luce di diverse frequenze per creare una firma caratteristica, puoi capire quali composti sono nella miscela. "Ma gli spettri possono spesso essere simili tra loro, e quindi diventa molto difficile se ci sono molti componenti", ha detto McCaul. Il controllo del monitoraggio potrebbe consentire ai ricercatori di "disattivare la risposta ottica di ciascuna specie una alla volta", ha detto, rendendoli selettivamente invisibili. McCaul ha dimostrato che in linea di principio ciò potrebbe aumentare la discriminazione tra diverse sostanze chimiche per ordini di grandezza.
Aggiungi l'invisibilità, quindi, alle imprese dell'alchimia ottica che possono essere rese possibili dal controllo del monitoraggio. Almeno in teoria, ci mostra che, visto nella giusta luce, niente può essere quello che sembra.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/alchemy-arrives-in-a-burst-of-laser-light-20200930/ in data Wed, 30 Sep 2020 14:30:27 +0000.