Giulia Del Pace, giovane ricercatrice dell’università di Firenze e originaria di San Giovanni ha partecipato ad una scoperta scientifica che riguarda il futuro della fisica quantistica diventando la prima firma dell’articolo pubblicato su Science.
Il suo lavoro si inserisce nel settore degli atomi ultrafreddi, un’ambito in cui è possibile raffreddare gli atomi a delle temperature prossime allo zero assoluto e usarli come strumenti per esplorare fenomeni quantistici complessi. Questa branca della ricerca è chiamata simulazione quantistica. La ricerca firmata dall’Università di Firenze è stata condotta nei laboratori del LENS in collaborazione con il Cnr-Ino di Sesto Fiorentino. Lo studio sperimentale è stato supportato da un gruppo teorico dell’Università di Catania e del Technology Innovation Institute di Abu Dhabi, che aveva previsto l’effetto dal punto di vista teorico.
“La progettazione dell’esperimento è iniziata più o meno nell’autunno del 2023” racconta “per concludersi nell’estate del 2024, è stato poi inviato alla rivista Science e infine pubblicato a dicembre 2025. Di per sé il progetto è stato anche abbastanza veloce per i tempi solitamente richieste dagli esperimenti di questo settore. Diciamo che siamo stati anche bravi a capire cosa era giusto esplorare e a farlo in tempi relativamente brevi.”
Dopo mesi di lavoro intenso, Giulia racconta anche le emozioni legate alla pubblicazione del risultato: “Innanzitutto ho provato un grande senso di sollievo, perché purtroppo l’iter per la pubblicazione è lunghissimo. Poi è arrivata una forte soddisfazione: è un lavoro che ho seguito fin dall’inizio, da quando abbiamo iniziato a pensarci fino alla fase di scrittura. Per me è stato davvero gratificante, anche perché il mio capo mi ha chiesto di portare il progetto fino in fondo affidandomi una responsabilità importante. Per questo è stato ancora più gratificante vedere che un progetto seguito dall’inizio alla fine abbia raggiunto un risultato così significativo.”
Per Giulia, la consapevolezza di trovarsi di fronte a un risultato importante è maturata nel confronto con altri gruppi di ricerca internazionali: “In parallelo al nostro esperimento ce ne stato un altro in Germania, dove un gruppo universitario che lavorava su sistemi atomici aveva osservato lo stesso effetto. Capire quindi che non eravamo gli unici a vedere quel fenomeno è stato fondamentale: significava che ciò che stavamo osservando era riproducibile anche in un esperimento completamente diverso. Così abbiamo realizzato che si trattava di un risultato solido, riproducibile e molto interessante.”
Per quanto riguarda le prospettive future, questa scoperta apre diverse direzioni di ricerca, come spiega Giulia: ”Dal punto di vista fondamentale, la possibilità di realizzare una simulazione quantistica con atomi permette di comprendere in modo diretto i meccanismi microscopici che regolano il funzionamento di questi dispositivi. Sul piano più applicativo, il passo successivo è l’utilizzo di atomi ultrafreddi per la realizzazione di dispositivi quantistici. Si tratta di un campo di ricerca emergente, in cui esistono ancora pochi esperimenti a livello mondiale, e il nostro fortunatamente, è uno di questi. Questo ambito prende il nome di atomtronica: un settore che, in analogia con l’elettronica tradizionale, mira a costruire circuiti non di elettroni ma di atomi, per sviluppare nuovi dispositivi quantistici. L’obiettivo non è sostituire l’elettronica, perché ci sono applicazioni e dimensioni diverse, bensì affiancarla, sfruttando la natura quantistica degli atomi per realizzare strumenti con funzionalità nuove. Tra le possibili applicazioni ci sono, ad esempio sensori quantistici ad altissima precisione e dispositivi a bassissimo consumo energetico.”
La spiegazione della ricerca:
La ricerca nasce dall’esigenza di comprendere sistemi quantistici molto complessi, come alcuni materiali solidi, estremamente difficili da studiare sia teoricamente che sperimentalmente. Per superare questo limite il gruppo di Giulia ha scelto di utilizzare un sistema quantistico diverso ma controllabile: gas di atomi ultrafreddi . È un approccio analogo ad una simulazione al computer con la differenza che non usiamo un computer, ma un sistema fisico reale di atomi: ed è per questo che si parla di simulazione quantistica.
In particolare, lo studio si concentra sui superconduttori continua materiali che a temperature molto basse permettono il passaggio di corrente senza dissipare energia. Anche se essi non sono il sistema sperimentale diretto il loro comportamento viene simulato utilizzando gli atomi. In questo caso quindi non c’è corrente elettrica ma una corrente di particelle. Osservare il flusso degli atomi equivale quindi a comprendere il comportamento degli elettroni in un superconduttore.
In questo lavoro è stata realizzata una giunzione di Josephson atomica, l’equivalente di una giunzione di Josephson nei superconduttori, dove due regioni sono separate da una sottilissima barriera. Questore strutture sono molto interessanti perché rendono visibili gli effetti quantistici. Il grande vantaggio dell’utilizzo degli atomi è la possibilità di osservare direttamente la dinamica microscopica del sistema, cosa impossibile nei materiali reali.
La novità principale di questo lavoro è l’applicazione di una corrente alternata che ha permesso di osservare per la prima volta il fenomeno noto come Shapiro steps che dà anche il titolo all’articolo che pubblicato. Questo effetto si manifesta sotto forma di gradini ben deciditi nella risposta della giunzione, determinati unicamente dalla frequenza della corrente applicata. La loro osservazione ha confermato che la giunzione atomica si comporta esattamente come previsto per una giunzione di Josephson nei superconduttori. In più l’esperimento ha reso possibile studiare direttamente l’origine microscopica di questo fenomeno, osservando il moto degli atomi responsabile dell’effetto, un livello di dettaglio che nei superconduttori reali rimane inacessibile.
La difficoltà maggiore da un punto di vista sperimentale è stata realizzare questo tipo di configurazione. Per realizzare questo particolare studio c’è bisogno di un controllo sulla geometria degli atomi che è molto elevato, con trappole per atomi della dimensione di un micron. Questa è stata una difficoltà tecnologica che ha fatto sì che finora questo fenomeno non venisse osservato. In più c’è bisogno anche di controllare la giunzione in cui stanno gli atomi. La sfida più grande era principalmente avere un controllo abbastanza preciso in modo da potere implementare questo protocollo sperimentare che poi ha portato a vedere l’effetto come l’abbiamo visto.”
