Quando gli atomi imitano i circuiti: la nuova frontiera della quantistica ha un anima catanese

La scoperta, pubblicata su Science, apre nuove prospettive per lo sviluppo di potenziali applicazioni scientifiche e industriali: sensori estremamente precisi, nuovi metodi per la progettazione di farmaci, sistemi di comunicazione intrinsecamente sicuri e strumenti avanzati di analisi e previsione. Un gruppo internazionale di ricercatori, che include il professor Luigi Amico dell’Università di Catania, ha previsto teoricamente e osservato sperimentalmente un nuovo fenomeno quantistico in sistemi noti come giunzioni Josephson atomiche. Questi risultati, pubblicati su Science, si inseriscono in un filone di ricerca di grande attualità, rafforzato anche dal Premio Nobel per la Fisica 2025, assegnato agli studi sulla coerenza quantistica macroscopica e sul tunneling quantistico osservabile su scale “visibili”.

Per comprendere l’importanza della scoperta, è utile partire dalle giunzioni Josephson tradizionali. In un circuito superconduttore: vengono chiamati così due metalli separati da una sottilissima barriera e raffreddati a temperature vicinissime allo zero assoluto che permettono agli elettroni di comportarsi in modo coordinato, come se fossero un’unica entità. In queste condizioni, gli elettroni possono “attraversare” la barriera senza energia aggiuntiva, grazie a un effetto puramente quantistico chiamato tunneling. Il fatto sorprendente è che questo fenomeno coinvolge un numero enorme di particelle, rendendo la meccanica quantistica rilevante anche su scala macroscopica.

Questi effetti sono alla base delle Tecnologie Quantistiche, un settore strategico che collega direttamente la ricerca fondamentale a possibili applicazioni industriali e sociali: sensori estremamente precisi, nuovi metodi per la progettazione di farmaci, sistemi di comunicazione intrinsecamente sicuri e strumenti avanzati di analisi e previsione. Non a caso, documenti strategici europei sottolineano il ruolo cruciale di queste tecnologie per la competitività economica e gli equilibri geopolitici futuri.

Nelle ricerche più recenti, al posto degli elettroni e dei superconduttori, gli scienziati hanno utilizzato atomi ultrafreddi, raffreddati con laser fino a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. Gli atomi vengono confinati in due regioni separate da una barriera di luce laser, creando una giunzione Josephson “atomica”. Questi sistemi sono straordinariamente controllabili e funzionano come veri e propri laboratori quantistici in miniatura, ideali per studiare i principi fondamentali della fisica quantistica e, allo stesso tempo, per comprendere meglio il comportamento dei circuiti superconduttori tradizionali.

Questo approccio rientra nel campo dell’Atomtronica, una disciplina che mira a costruire circuiti basati su flussi di atomi anziché di elettroni. Le prospettive applicative sono notevoli, soprattutto per la realizzazione di sensori di altissima precisione. Un esempio concreto è già operativo sull’Etna, dove sensori quantistici basati su atomi permettono di rilevare variazioni minuscule della gravità terrestre, utili per monitorare i movimenti del magma in profondità.

La novità principale dello studio è l’aver dimostrato che un effetto ben noto nei circuiti superconduttori, chiamato Shapiro steps, compare anche nelle giunzioni Josephson atomiche. Introducendo una corrente alternata, i ricercatori hanno osservato “gradini” nella risposta del sistema, segno di una sincronizzazione tra il segnale esterno e la coerenza quantistica collettiva degli atomi. La previsione teorica del gruppo del professor Amico è stata così confermata sperimentalmente grazie alla collaborazione con istituti di ricerca italiani e tedeschi (il Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare (LENS) di Firenze e l’Università di Kaiserslautern in Germania), aprendo nuove prospettive sia per la fisica fondamentale sia per le future tecnologie quantistiche.

I risultati degli esperimenti sono stati pubblicati su Science in due articoli consecutivi nello stesso numero della rivista, a conferma della loro rilevanza scientifica.

«Oltre ad approfondire la comprensione dei meccanismi fondamentali della coerenza quantistica – spiega il prof. Amico -, la scoperta apre prospettive concrete per lo sviluppo di una nuova generazione di simulatori quantistici, progettati per studiare in modo controllato la dinamica dei circuiti quantistici. In particolare, l’effetto osservato getta le basi per la realizzazione di sensori quantistici innovativi, in grado di misurare la pressione con una sensibilità superiore a quella raggiungibile dalle tecnologie attuali. Tali strumenti potrebbero trovare applicazione sia nella ricerca scientifica sia in ambito industriale, contribuendo anche alla definizione di nuovi standard di riferimento nel campo della metrologia».

Come sottolinea il docente catanese, questa ricerca ha una forte dimensione internazionale: «I risultati nascono dalla collaborazione tra gruppi di ricerca in Italia, Germania ed Emirati Arabi Uniti (TII, Quantum Research Center di Abu Dhabi), coinvolgendo studiosi di numerose nazionalità. Un esempio concreto di come un ecosistema scientifico aperto e globale sia fondamentale per favorire l’innovazione e il progresso della conoscenza».