Il team guidato dal fisico Ron Folman della Ben-Gurion University of the Negev, composto da ricercatori provenienti da Germania, Regno Unito e Stati Uniti e a cui ha partecipato anche il premio Nobel Roger Penrose, ha collocato un singolo atomo nella sovrapposizione di due orbite diverse per studiare l’intersezione tra meccanica quantistica e relatività. Nel dispositivo chiamato Quantum Galileo Interferometer (QGI), lungo una delle traiettorie l’atomo era in caduta libera, mentre lungo l’altra era mantenuto fermo nella sua posizione. Le due traiettorie sono state ricongiunte simultaneamente nello stesso punto e è stata misurata la differenza di fase generata dalla caduta nella proprietà ondulatoria dell’atomo.
La natura ondulatoria degli atomi può essere osservata soltanto a temperature prossime allo zero assoluto e a velocità molto basse. Poiché la fase non può essere misurata da sola, è necessario dividere una singola particella in due traiettorie e poi ricongiungerle. Nell’esperimento di caduta libera, tuttavia, l’accelerazione dell’atomo in caduta avrebbe potuto compromettere l’interferenza quantistica, fornendo informazioni sul percorso seguito. Il team ha risolto il problema lanciando uno degli atomi verso l’alto e consentendogli di tornare al punto di partenza sotto l’effetto della gravità, mentre manteneva l’altro fermo a mezz’aria mediante una forza magnetica. Mentre l’atomo in caduta tornava indietro, un secondo impulso magnetico ne ha annullato la velocità nel momento in cui ha raggiunto il punto di partenza.
QGI utilizza impulsi a microonde e magnetici; circa 20.000 atomi di rubidio sono organizzati sotto forma di condensato di Bose-Einstein, trattenuto dai campi generati da fili microscopici su un chip. Il chip è posizionato capovolto, a circa 113 micrometri sopra gli atomi. La distanza massima tra le traiettorie ha raggiunto circa 7,5 micrometri, mentre il tempo di volo più lungo è arrivato a due millesimi di secondo. È stato osservato che la fase aumentava con il prolungarsi della caduta e i dati hanno mostrato la differenza di fase prevista dalla teoria.
I ricercatori hanno dichiarato che il risultato dimostra per la prima volta che il principio di equivalenza opera in un sistema in sovrapposizione quantistica. La fase misurata ha mostrato uno scostamento del 2,5 per cento rispetto alla previsione teorica. Il team ha affermato che l’esperimento rappresenta un punto di controllo per testare il confine tra la relatività di Einstein e la meccanica quantistica.
Il laboratorio di Folman sta ora lavorando a un QGI più grande, in grado di portare in sovrapposizione nanodiamanti 10 ordini di grandezza più pesanti degli atomi. L’obiettivo è testare la sovrapposizione di diverse curvature dello spaziotempo e osservare il collasso quantistico previsto dall’ipotesi di Penrose e Lajos Diósi. Il team auspica che ciò possa diventare possibile entro quattro o cinque anni. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances nel 2026; DOI: 10.1126/sciadv.aec8045.
Perché è importante
Questo studio offre un sostegno sperimentale a dimostrazione del fatto che il principio di equivalenza non è limitato al movimento dei corpi classici, ma può essere testato anche per un singolo sistema in sovrapposizione quantistica. Per questo motivo, il risultato costituisce un punto di controllo che può essere utilizzato nelle ricerche in cui meccanica quantistica e relatività vengono considerate congiuntamente, per valutare la compatibilità tra le due teorie. Lo scostamento della misurazione del 2,5 per cento rispetto alla previsione teorica pone la questione di ripetere il test del metodo su sistemi più grandi. In particolare, per i ricercatori che lavorano all’intersezione tra fisica quantistica, gravità e fisica fondamentale, la questione aperta è se questo principio verrà preservato anche nella sovrapposizione di nanodiamanti molto più pesanti degli atomi e come si comporterà insieme a diverse curvature dello spaziotempo.