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La Chiave per Migliorare i Campi Magnetici Alimentati a Microonde per i Sensori Quantistici Potrebbe Essere… l’Uva
Non lamentarti che la fisica sia troppo arida per il tuo palato, c’è un modo fruttato per indurre comportamenti quantistici.
Ci sono pochi esperimenti di fisica che puoi mangiare se non funzionano, ma fortunatamente questi amplificatori a microonde fanno il loro lavoro abbastanza bene da evitare il consumo.
Un trucco da festa eseguito usando frutta in un forno a microonde potrebbe portare a rilevatori più sensibili di radiazioni a microonde, con applicazioni in campi come la rilevazione della materia oscura, il calcolo quantistico e la comunicazione satellitare. Aggiungere una coppia di uve ai lati di un diamante drogato potrebbe sembrare un’abitudine eccentrica, ma potrebbe segnalare un percorso a basso costo verso sensori migliorati.
Negli anni ’90 una curiosa mania ha travolto il mondo dei nerd della scienza, rivivendo nei decenni successivi attraverso video su YouTube. Se un’uva viene tagliata quasi, ma non completamente a metà, e posta in un forno a microonde, spesso produrrà plasma, creando un bagliore impressionante e scintille accompagnatorie. Sfortunatamente, a volte distruggerà anche il forno a microonde, ma è un piccolo prezzo da pagare per stupire e intrigare i tuoi amici, giusto?
Sebbene le spiegazioni fisiche proposte siano seguite rapidamente alla scoperta, molte erano contraddittorie o facilmente smentite con ulteriori test. Ci sono voluti più di 20 anni prima che una ricerca rigorosa risolvesse la questione. Uno studente di dottorato dell’Università di Macquarie, Ali Fawaz, e i suoi colleghi hanno realizzato che, sebbene il plasma stesso possa non essere utile, il motivo per cui viene prodotto indica che l’uva potrebbe migliorare la capacità dei sensori quantistici. Hanno ora dimostrato l’efficacia di questo approccio – con l’uva giusta, ovviamente.
“Mentre studi precedenti hanno esaminato i campi elettrici che causano l’effetto plasma, abbiamo dimostrato che le coppie di uve possono anche migliorare i campi magnetici, che sono cruciali per le applicazioni di rilevamento quantistico,” ha detto Fawaz in una dichiarazione.
Fawaz ha comprato l’uva al supermercato, ma il resto della sua attrezzatura era un po’ più sofisticato. “I diamanti puri sono incolori, ma quando certi atomi sostituiscono gli atomi di carbonio, possono formare i cosiddetti centri di ‘difetto’ con proprietà ottiche,” ha detto il Dr. Sarath Raman Nair. “I centri di vacanza di azoto nei nanodiamanti che abbiamo usato in questo studio agiscono come piccoli magneti che possiamo usare per il rilevamento quantistico.”
Quando un laser verde viene puntato su questi nanodiamanti, essi brillano di rosso, con la loro luminosità proporzionale al campo magnetico. L’amplificazione dei campi permette ai sensori di rilevare effetti ancora più sottili, ed è qui che entra in gioco l’uva. Il plasma indotto dall’uva è stato spiegato come una conseguenza del fatto che l’uva agisce come un risonatore a microonde, la cui forma immagazzina campi elettrici all’interno, producendo punti caldi in cui si forma il plasma. Fawaz sospettava che i campi magnetici accompagnatori sarebbero stati utili dove le radiazioni a microonde vengono utilizzate per innescare un campo che i nanodiamanti possono rilevare.
“Abbiamo scoperto che il campo magnetico delle radiazioni a microonde diventa due volte più forte quando aggiungiamo l’uva,” ha detto Fawaz.
C’è un fascino romantico nell’idea che certe varietà di uva, con le giuste concentrazioni di zucchero o molecole di sapore, funzionerebbero meglio, portando gli scienziati a esplorare i vigneti alla ricerca del perfetto amplificatore. Ci dispiace infrangere il sogno di chi sperava in un viaggio finanziato in una regione vinicola, ma Fawaz dice che questo non funzionerà. “Il motivo per cui questo funziona è perché l’uva è principalmente fatta di acqua,” ha detto Fawaz a IFLScience. “Ha un alto indice di rifrazione, che permette all’uva di comportarsi come risonatori. Le onde rimbalzano all’interno dell’uva a causa di un salto di permittività tra l’interno e l’aria esterna.” Gli zuccheri e altre impurità “contribuiscono all’assorbimento,” ha aggiunto Fawaz, e quindi diminuiscono l’effetto piuttosto che migliorarlo. Sacchetti di acqua pura tenuti insieme da una sorta di membrana probabilmente farebbero meglio, ma non sono così facilmente disponibili.
Il principale criterio per l’uva è la dimensione e la forma. Una lunghezza di 27 millimetri (1,06 pollici) è perfetta per le microonde usate da Fawaz. Una larghezza di 17 millimetri (0,7 pollici) si è rivelata appropriata, ma la cosa più importante di tutte era che le due uve poste ai lati del rilevatore fossero della stessa dimensione. Altri frutti potrebbero anche funzionare se sono di dimensioni adeguate e chiusi, ma è improbabile che migliorino molto rispetto all’uva, se non del tutto.
“L’acqua è in realtà migliore dello zaffiro nel concentrare l’energia a microonde, ma è anche meno stabile e perde più energia nel processo. Questa è la nostra sfida chiave da risolvere,” ha detto Fawaz nel comunicato stampa.
Sebbene la mania che ha iniziato tutto questo usasse un’uva tagliata, ciò non è necessario, tranne forse per rendere il plasma più visibile. Per gli scopi di Fawaz, assicurerebbe solo che l’uva si asciughi più velocemente. Fawaz ha spiegato a IFLScience che i motivi per cui i sensori a microonde sono richiesti è che, “Nella maggior parte dei sistemi quantistici manipoliamo gli spin usando campi a microonde.” L’obiettivo è far interagire le particelle in modo coerente, il che richiede di accoppiarle ai campi. Lo stato di tali sistemi è sensibile ai campi magnetici, alla temperatura e alla pressione e può quindi essere utilizzato come sensore per tutti questi.
Le scintille che hanno attirato per prime l’attenzione sul fenomeno sono cariche che saltano tra ioni metallici nei punti caldi del plasma dell’uva. Alcuni forni sono stati distrutti quando le scintille sono sfuggite di mano. Fawaz ha detto a IFLScience che il suo studio è stato condotto utilizzando fonti a microonde molto meno potenti di un forno domestico, quindi il danno non era una preoccupazione. Non può confermare le voci secondo cui la dimostrazione può essere eseguita in sicurezza se un bicchiere d’acqua viene posto nel microonde allo stesso tempo, assorbendo abbastanza microonde da proteggere il forno.
Lo studio è pubblicato ad accesso aperto in Physical Review Applied.