Trieste nella storia della scienza: fotografati per la prima volta singoli atomi intrappolati

Trieste entra ufficialmente nel panorama internazionale delle ricerche quantistiche grazie a un risultato senza precedenti nel nostro Paese. Per la prima volta in Italia, un team del Laboratorio ArQuS dell’Università di Trieste e del CNR-INO è riuscito a fotografare e intrappolare singoli atomi di itterbio, utilizzando una tecnica innovativa che permette di osservarli con una precisione mai raggiunta prima.

L’impresa, datata 25 novembre 2025, rappresenta un passo decisivo nello sviluppo di tecnologie come computer quantistici, reti quantistiche e nuovi orologi atomici ad altissima stabilità. I risultati sono stati pubblicati sulle riviste scientifiche internazionali Quantum Science and Technology e Physical Review Letters, confermando la portata del traguardo.

Una nuova tecnica per vedere ciò che non si vede: il “flash” sugli atomi

Per osservare oggetti così piccoli da emettere pochissima luce, la microscopia atomica ricorre solitamente a lunghe esposizioni. Il Laboratorio ArQuS ha ribaltato questa logica. Come spiega Francesco Scazza, professore associato e responsabile del laboratorio, l’idea è simile a usare il flash su una macchina fotografica: illuminare gli atomi con impulsi di luce intensi e brevissimi.

Questo metodo ha permesso ai ricercatori di distinguere ogni singolo atomo in un’immagine e perfino di contarli esattamente all’interno di una stessa trappola ottica. Una capacità che le tecniche classiche non consentivano, limitandosi a riconoscere solo la presenza o l’assenza dell’atomo.

Atomi raffreddati quasi allo zero assoluto

All’interno dei laboratori, gli atomi vengono prima raffreddati a temperature vicine ai –273 °C mediante laser dedicati, poi intrappolati in minuscole “pinzette ottiche”, fasci di luce capaci di immobilizzarli nello spazio.

La vera difficoltà sta nel fotografarli senza farli scappare. L’assorbimento e la ri-emissione della luce durante la ripresa li riscalda, mettendo a rischio la trappola. Come sottolinea Omar Abdel Karim, membro del team, il gruppo è riuscito a bilanciare con estrema precisione illuminazione e raffreddamento, ottenendo immagini nitide mantenendo gli atomi stabili.

Record mondiale di velocità: immagini in microsecondi

Un altro risultato fondamentale arriva dal dottorando Alessandro Muzi Falconi: il gruppo ha raggiunto la più alta velocità di acquisizione mai ottenuta per atomi in optical tweezers. Grazie a lampi di fluorescenza della durata di pochi milionesimi di secondo, gli atomi vengono fotografati senza perdite, fino a decine di volte in successione.

Questo significa poter costruire array di atomi stabili e controllati, la base fisica di molti futuri qubit.

Un isotopo speciale per computer quantistici più potenti

Il team ha inoltre ottenuto la prima osservazione al mondo di singoli atomi dell’isotopo itterbio-173, dotato di sei stati interni. Questa caratteristica lo rende ideale per implementare qudit, elementi di memoria quantistica più avanzati dei tradizionali qubit, capaci di immagazzinare e processare più informazioni.

Un laboratorio nato a Trieste e già nella ricerca d’avanguardia

Il Laboratorio ArQuS è attivo dal 2022, nato dalla collaborazione tra Università di Trieste e CNR, finanziato da un ERC Starting Grant da 1,4 milioni di euro. A soli tre anni dalla fondazione, firma già un primato italiano e un risultato di rilievo mondiale, posizionando Trieste tra i centri emergenti della fisica quantistica.