"Elettroni e fotoni, relazioni senza più segreti": le università di Trento e Chicago formulano un'ipotesi universale per capire le interazioni tra luce e particelle subatomiche

TRENTO. Uno studio coordinato dall'Università di Trento, insieme a quella di Chicago, ha prodotto un'ipotesi universale per capire le interazioni tra la luce e le particelle subatomiche: un lavoro che, in prospettiva, potrà contribuire allo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche ma anche alla scoperta di altri stati fisici della materia.

Il contributo, pubblicato sulla rivista Physics Review Letters, arriva da un gruppo di ricercatori dell'ateneo dell'Illinois coordinati da Carlos Leonardo Benavides-Riveros - assegnista di ricerca del dipartimento di Fisica di Trento - insieme al collega David A. Mazziotti dell'università statunitense.

Prima di addentrarci nei dettagli dello studio, è necessaria però qualche premessa. La ricerca di nuove molecole o materiali con potenziali applicazioni tecnologiche o mediche parte anche dallo studio della fisica quantistica: quando molecole o composti chimici interagiscono con la luce, infatti, possono modificare sostanzialmente le loro proprietà fisiche.

Partendo da questa idea, il nuovo campo della chimica polaritonica ha l'obiettivo di produrre nuove reazioni chimiche utilizzando la luce come catalizzatore e, più in generale, il controllo delle interazioni luce-materia fornisce un mezzo per manipolare e sintetizzare nuova materia quantistica.

Tornando allo studio trentino-statunitense, viene spiegato, questo procede - come sempre accade nella ricerca scientifica - per ipotesi e tentativi "ancora più complessi quando l’oggetto di indagine è un sistema quantistico composto da una moltitudine di elementi diversi, cioè da elettroni, fotoni e fononi".

La difficoltà consiste nel calcolare con esattezza la loro “funzione d’onda”, cioè quella che contiene tutte le informazioni fisiche rilevanti per fare previsioni accurate riguardo il comportamento delle particelle: in questo caso, quello che gli studiosi hanno formulato è un’ipotesi universale (in fisica definita “ansatz”) che possa aiutare a prevedere le interazioni tra tutte le particelle all’interno di un sistema quantistico a molti corpi. In sintesi: una teoria che sia applicabile non solo agli elettroni, ma anche a fotoni e fononi.

"La chiave di lettura è data da un algoritmo quantistico anch’esso universale che gli scienziati hanno simulato su un quantum computer IBM – viene spiegato – con un errore teorico sostanzialmente nullo: è questo l’aspetto innovativo della ricerca, ovvero lo sviluppo di un unico approccio valido per produrre ipotesi esponenziali di qualsiasi sistema quantistico a molti corpi che, se implementato su dispositivi quantistici, produce funzioni d'onda precise".

E questa soluzione, secondo i fisici, apre anche a nuove prospettive nello studio degli stati della materia.

"I sistemi che troviamo in natura non contengono mai solo elettroni e non sono isolati dal resto del mondo: la luce può modificarne la struttura" spiega Carlos Leonardo Benavides Riveros, che specifica: "Quello che abbiamo fatto è stato introdurre altre particelle quantistiche e, seguendo la nostra formulazione universale del problema, possiamo comprendere la struttura della sua funzione d'onda e quindi le sue proprietà fisiche".