Viva l'itterbio!
Gli stati metastabili di lunga durata individuati negli ioni intrappolati aprono nuove prospettive per l'informatica quantistica e gli orologi atomici
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I ricercatori delle Università di Amsterdam e del New South Wales hanno dato una risposta a una domanda che si poneva da decenni: se gli ioni del metallo itterbio possano assumere determinati stati di lunga durata e quasi stabili e, in tal caso, per quanto tempo. Gli stati di lunga durata rilevati potrebbero trovare applicazione nei computer quantistici e negli orologi atomici.
Due ioni Yb⁺ sono trattenuti in una trappola ionica. Uno degli ioni viene eccitato in stati metastabili mediante un raggio laser focalizzato. L’altro ione emette continuamente fluorescenza e viene utilizzato per indicare la presenza dello ione “oscuro” nello stato metastabile grazie alla sua posizione decentrata nella trappola ionica. La durata dello stato metastabile viene misurata registrando il momento in cui lo ione "oscuro" ricomincia a emettere fluorescenza.
UVA IoP
Molti orologi atomici e computer quantistici moderni hanno al loro interno i cosiddetti ioni intrappolati. Gli ioni, ovvero atomi caricati elettricamente, possono trovarsi in molti stati diversi, ciascuno con una quantità di energia diversa. Grazie alla loro carica, questi ioni possono essere sospesi nello spazio vuoto e mantenuti in posizione tramite campi elettromagnetici. Il funzionamento dell’orologio o del computer si basa quindi sul controllo preciso dello stato energetico occupato da tale ione.
I ricercatori delle Università di Amsterdam e del New South Wales hanno ora scoperto che lo ione itterbio (Yb⁺), uno dei principali candidati per entrambe le tecnologie, può rimanere in stati finora inesplorati per periodi di tempo sorprendentemente lunghi. Nel laboratorio di Rene Gerritsma presso l’Istituto di Fisica dell’UvA, il team ha indotto un singolo ione Yb⁺ in una serie di cosiddetti stati metastabili (cioè quasi stabili), eccitandolo con un laser fino a un livello energetico elevato. Da lì, lo ione è decaduto in stati di energia inferiore, alcuni dei quali si sono rivelati anch’essi metastabili, tanto che ci vorrebbe molto tempo perché lo ione tornasse al suo stato fondamentale. In questo modo, il team ha rilevato segnali di decadimento corrispondenti a tempi di vita di circa 1 secondo e 10 secondi e ha persino trovato prove dell’esistenza di uno stato con un tempo di vita superiore a 30 secondi. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Physical Review A.
Zeger Ackerman, dottorando e primo autore della pubblicazione, spiega: «Per rendere possibili le misurazioni, non abbiamo intrappolato un solo ione, ma ne abbiamo intrappolati due insieme. Uno di questi era destinato alle misurazioni spettroscopiche, mentre l’altro serviva a raffreddare e stabilizzare continuamente il sistema senza disturbare lo stato metastabile oggetto di studio. Ciò ci ha permesso di osservare lo ione mentre rimaneva in uno stato metastabile e di cronometrare con precisione il suo decadimento. Calcoli dettagliati sulla struttura atomica hanno poi confermato i risultati delle misurazioni».
Gli stati recentemente caratterizzati potrebbero trovare applicazione nell’informatica quantistica e negli orologi atomici. I ricercatori sono particolarmente entusiasti dello stato con una durata di 1 secondo. I calcoli mostrano che esso può essere raggiunto dallo stato fondamentale in modo relativamente semplice, utilizzando un solo impulso laser. La durata di 1 secondo e l’intensità prevista della transizione suggeriscono che potrebbe essere utilizzato per migliorare significativamente il rilevamento degli stati dei bit quantistici (qubit) e dei loro analoghi generalizzati (i cosiddetti qudit) negli ioni di itterbio.
Per quanto riguarda questo particolare stato, la ricerca risponde a una domanda posta trentacinque anni fa dai fisici teorici Fawcett e Wilson, i quali avevano previsto una durata di 5,2 secondi per lo stesso stato e ne avevano chiesto la conferma sperimentale. Considerata la complessità della struttura dei livelli energetici dello Yb⁺, la loro previsione si è rivelata piuttosto accurata!
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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