Forza attrattiva tra atomi e luce

Uno studio sperimentale ha scoperto che non solo i laser, ma anche la luce di un corpo caldo e incandescente può attrarre la materia

Il cilindro di tungsteno visto attraverso una finestra nella camera a vuoto utilizzata per l’esperimento a Berkeley. Crediti: Holger Müller lab, UC Berkeley

Il cilindro di tungsteno visto attraverso una finestra nella camera a vuoto utilizzata per l’esperimento a Berkeley. Crediti: Holger Müller lab, UC Berkeley

Elisa Nichelli 11 dicembre 2017

Un corpo caldo e incandescente attira a sé gli atomi. L’effetto è molto piccolo, ed è stato misurato da un team internazionale di ricercatori guidato da fisici dell’Università della California a Berkeley. Ciò che accade, fisicamente, è molto simile al funzionamento di un dispositivo chiamato pinzetta ottica, dove un impulso laser è in grado di intrappolare degli atomi. Quello che hanno scoperto i ricercatori è che anche la luce, o addirittura il calore emanato da un oggetto caldo (ovvero la sua radiazione infrarossa) possono interagire in maniera simile con la materia. Per effettuare le loro verifiche, i fisici di Berkeley hanno progettato un esperimento con il quale hanno misurato la forza esercitata dalla radiazione di corpo nero di un cilindro di tungsteno caldo su un atomo di cesio. I risultati del loro studio sono apparsi sull’ultimo numero di Nature Physics.


L’attrazione osservata durante l’esperimento è circa 20 volte quella gravitazionale tra i due oggetti, ma siccome la gravità è la forza più debole di tutte, anche questo effetto rimane pressoché trascurabile, nella gran parte dei casi. «È difficile immaginare uno scenario in cui questa forza possa farsi sentire», spiega Victoria Xu, studentessa a Berkeley e coautrice dell’articolo. «Per ora non è chiaro se possa avere o meno un effetto significativo». Mano a mano che le misure gravitazionali diventano più precise, però, bisognerà tenerne conto. La futura generazione di esperimenti per la misura di onde gravitazionali dallo spazio potrebbe utilizzare interferometri che fanno uso di atomi, anziché quelli con lunghi bracci come gli attuali. Normalmente un interferometro funziona combinando fasci luminosi e cerca di rilevare piccole variazioni nella distanza da loro percorsa. Gli interferometri atomici sfruttano lo stesso principio su un’onda “di materia”, ovvero quella associata all’atomo: l’onda viene divisa e ricombinata e osservando la figura di interferenza è possibile risalire agli effetti gravitazionali subiti dai due fasci. La debole forza misurata tra radiazione e atomi ha sicuramente un effetto non trascurabile per questo tipo di interferometri e in generale ha un impatto in tutti i casi in cui vengono effettuate misure di precisione, come quelle di costanti fondamentali, test della relatività generale, misure di gravità, etc.


Le pinzette ottiche funzionano perché la luce è un’onda elettromagnetica, ovvero la sovrapposizione di campi elettrici e magnetici, e il campo elettrico presente in un fascio di luce può far muovere le particelle cariche. In un atomo questo può comportare la separazione tra le cariche positive (il nucleo) dalle cariche negative (gli elettroni), e creare un dipolo elettrico. A questo punto il campo elettrico presente nella luce può agire sull’atomo spostandolo. Con uno o più raggi laser questo effetto è consistente ed è studiato da tempo, quello che hanno scoperto i ricercatori è che, sebbene più debole, l’effetto rimane anche nel caso di una luce debole e non coerente come quella emessa da un corpo nero. Le misure sono state effettuate posizionando in una camera a vuoto un gas di atomi di cesio portato alla temperatura di tre milioniesimi di grado sopra lo zero assoluto. Metà degli atomi vengono spinti verso l’alto con un breve impulso di luce laser, mentre all’altra metà viene fornita una spinta ulteriore verso un cilindro di tungsteno lungo mezzo centimetro che emette luce a 168 gradi Celsius. Quando i due gruppi di atomi ricadono e si incontrano di nuovo, le loro onde di materia interferiscono e i ricercatori possono misurare lo sfasamento dovuto all’interazione tra il tungsteno e il cesio, ottenendo l’informazione relativa alla forza attrattiva prodotta dal corpo caldo. «La gente pensa che la radiazione di corpo nero sia un concetto classico e ben radicato della fisica, e in effetti è stato un forte catalizzatore per innescare la rivoluzione della meccanica quantistica cent’anni fa, ma ci sono ancora molte cose interessanti da imparare al riguardo», conclude Xu.