Una nuova trappola ionica tridimensionale, progettata per funzionare anche con ioni pesanti come quelli di itterbio, potrebbe facilitare lo studio in laboratorio di sistemi quantistici complessi, difficili da simulare persino con i supercomputer più potenti. Il dispositivo è stato sviluppato da ricercatori della Rice University, con la collaborazione di colleghi della Duke University e dell’azienda Translume Inc. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Applied.
I simulatori quantistici permettono di riprodurre sistemi complessi in condizioni controllate. Negli esperimenti con ioni intrappolati, campi elettrici tengono fermi gli atomi carichi e laser ne regolano le interazioni; misurando gli ioni, gli scienziati possono ricavare informazioni sul sistema simulato.
Le trappole tradizionali a lame possono offrire prestazioni elevate, ma vengono assemblate a mano e quindi è difficile realizzarle tutte in modo uniforme. Quelle fabbricate su chip sono più precise e più semplici da produrre su larga scala, ma spesso non raggiungono le stesse prestazioni. Il fisico Guido Pagano, della Rice University, e i suoi colleghi hanno cercato di riunire i vantaggi dei due approcci in una struttura tridimensionale compatta.
Le precedenti trappole monolitiche, cioè realizzate come un unico blocco, erano state usate con ioni più leggeri, come quelli di calcio. L’impiego di specie più pesanti comportava ulteriori difficoltà tecniche. Per costruire il nuovo dispositivo, il gruppo è partito da un blocco di vetro di silice fusa, nel quale ha ricavato con laser e trattamenti chimici i canali per gli ioni e le scanalature per gli elettrodi. Dopo aver installato gli elettrodi, i ricercatori hanno rivestito la struttura d’oro tramite sputtering, una tecnica che deposita il materiale sulla superficie. Le scanalature isolano gli elettrodi, riducendo il rischio di cortocircuiti durante la fabbricazione e di scariche elettriche quando la trappola è sottoposta ad alte tensioni nel vuoto.
Il primo prototipo ha mostrato problemi termici ed elettrici quando è stata applicata la tensione a radiofrequenza necessaria al funzionamento: il dispositivo si è surriscaldato fino a brillare visibilmente. Una seconda versione ha eliminato i difetti principali, ma ha introdotto un micromovimento indesiderato degli ioni lungo l’asse della trappola e un loro eccessivo riscaldamento. Entrambi i fenomeni ostacolavano il controllo preciso richiesto dagli esperimenti quantistici.
La terza generazione ha migliorato la dissipazione del calore e ridotto il movimento degli ioni. Il gruppo ha inoltre trattato la superficie con il plasma per contenere il riscaldamento degli ioni. Il laboratorio di Pagano e i collaboratori della Duke hanno testato le trappole una per una: le misurazioni hanno concordato con le simulazioni al computer, indicando che i dispositivi funzionavano come previsto.
Il progetto potrebbe rendere più facile riprodurre gli esperimenti con ioni intrappolati nei laboratori universitari e ampliare la scelta delle specie utilizzabili nelle trappole monolitiche tridimensionali. Abhishek Menon, primo autore corrispondente dello studio e dottorando, ha affermato che superare le difficoltà ingegneristiche legate agli ioni più pesanti potrebbe semplificare anche l’intrappolamento di specie più leggere.
Tra i possibili ambiti di applicazione c’è lo studio di processi complessi come il trasferimento di carica durante la fotosintesi. Invece di modellare direttamente un intero sistema quantistico, gli scienziati possono usare esperimenti controllati per comprenderne i meccanismi di fondo. Roman Zhuravel, coautore dello studio e ricercatore assistente nel laboratorio di Pagano, ha detto che la trappola potrebbe aiutare a scomporre problemi quantistici complessi in esperimenti più gestibili.
Il dispositivo offre così ai laboratori un ulteriore strumento per indagare sistemi difficili da simulare con i computer convenzionali. L’approccio ingegneristico adottato potrebbe inoltre orientare lo sviluppo di future trappole ioniche per una gamma più ampia di tecnologie quantistiche.
