Hans Georg Dehmelt: L'uomo che ha intrappolato un atomo

Un singolo ione di bario, tenuto immobile in una gabbia elettromagnetica all'interno di un laboratorio dell'Università di Washington nel 1979, appariva a occhio nudo come un debole punto bianco-azzurro sospeso nello spazio. Era la prima volta che qualcuno vedeva un singolo atomo. Il fisico che lo aveva messo lì, Hans Georg Dehmelt, aveva trascorso tre decenni a costruire la trappola che rendeva visibile l'invisibile.

Un ragazzo con borsa di studio a Berlino

Dehmelt nacque il 9 settembre 1922 a Görlitz, in Germania, e crebbe a Berlino, dove una borsa di studio lo portò al Berlinisches Gymnasium zum Grauen Kloster all'età di dieci anni. La guerra interruppe i suoi studi: iniziò fisica all'Università di Breslavia nel 1943 prima di essere chiamato al servizio militare. Sopravvisse alla battaglia delle Ardenne come prigioniero di guerra e, rilasciato nel 1946, riprese la sua istruzione all'Università di Gottinga, allora un centro per fisici che ricostruivano la scienza tedesca dalle rovine. Lì conseguì la laurea magistrale nel 1948 e il dottorato nel 1950, lavorando in un ambiente ancora plasmato dalla generazione di Heisenberg e Born.

Attraversare l'Atlantico

Nel 1952 Dehmelt emigrò negli Stati Uniti per una posizione post-dottorato alla Duke University, parte di un'ondata di fisici europei che trovarono i laboratori dell'America del dopoguerra meglio finanziati e meno gravati dal passato. Tre anni dopo, l'Università di Washington a Seattle lo assunse come professore assistente; divenne professore ordinario nel 1961 e vi rimase fino al suo pensionamento nell'ottobre del 2002, trasformando Seattle in un'improbabile capitale della fisica atomica di precisione per mezzo secolo.

Costruire una gabbia per una singola particella

Il problema che Dehmelt si era posto era apparentemente semplice: tenere ferma una particella subatomica, in isolamento, abbastanza a lungo da misurarla con estrema precisione. Lavorando a fianco del fisico tedesco Wolfgang Paul, che aveva sviluppato indipendentemente una tecnica di intrappolamento parallela, Dehmelt perfezionò quella che divenne nota come trappola di Penning — una configurazione di campi elettrici e magnetici in grado di sospendere un singolo ione o elettrone nel vuoto per mesi di fila. Nel 1973, lavorando con i suoi studenti laureati, isolò un singolo elettrone in questo modo; tra quegli studenti c'era David Wineland, che avrebbe poi vinto il suo Premio Nobel basandosi su quella tecnica. Il team di Dehmelt misurò il momento magnetico dell'elettrone con un'accuratezza di circa quattro parti su un trilione, una precisione che permise ai fisici di testare le previsioni dell'elettrodinamica quantistica rispetto alla realtà con un rigore che nessuno aveva mai raggiunto prima.

L'atomo di geonio e lo ione fotografato

Nel 1976 Dehmelt coniò il termine "geonio" per il peculiare sistema quantistico creato dalla sua trappola: un singolo elettrone, confinato da campi di laboratorio piuttosto che da un nucleo atomico, che si comportava per molti aspetti come un atomo artificiale legato alla Terra stessa. Tre anni dopo il suo gruppo ottenne l'impresa per cui è più spesso ricordato al di fuori della fisica — intrappolare e fotografare un singolo ione di bario, trasformando un atomo solitario in un punto di luce visibile. Dehmelt descrisse il fascino del lavoro in termini semplici: una volta intrappolata una particella, disse, "potevi studiarla a piacimento". Questa pazienza, sostenuta attraverso decenni di perfezionamento incrementale piuttosto che in un unico lampo di intuizione, è il filo conduttore della sua carriera.

Stoccolma e il riconoscimento

L'Accademia reale svedese delle scienze assegnò a Dehmelt metà del Premio Nobel per la fisica del 1989, condividendolo con Wolfgang Paul "per lo sviluppo della tecnica della trappola ionica", mentre Norman Ramsey ricevette l'altra metà per lavori correlati sugli orologi atomici. Fu il coronamento di una carriera già insignita del premio Davisson-Germer nel 1970 e del premio Rumford nel 1985. Nel 1995 gli Stati Uniti aggiunsero la National Medal of Science e, al momento della sua morte, i colleghi notarono che aveva accumulato, come recitava un tributo dell'Università di Washington, quasi ogni maggiore riconoscimento disponibile nel suo campo.

Una vita privata ricostruita due volte

La vita personale di Dehmelt fu segnata da perdite e secondi inizi. La sua prima moglie, Irmgard Lassow, morì prima di lui, così come il loro figlio Gerd. Nel 1989, lo stesso anno in cui ricevette il Premio Nobel, sposò Diana Dundore, un medico, e i due rimasero insieme per il resto della sua vita. Morì il 7 marzo 2017 a Seattle, all'età di 94 anni, avendo sopravvissuto sia alla moglie che al figlio della sua prima famiglia e avendo trascorso quasi cinquant'anni nella stessa università in cui si era costruito la reputazione.

Perché Hans è definito un genio

La pretesa di Dehmelt al genio si fonda su un tipo di risultato cognitivo specifico e insolitamente verificabile: trovò il modo di isolare e tenere fermi, per un'osservazione prolungata, oggetti che la meccanica quantistica stessa afferma dovrebbero essere inosservabili come individui. L'intuizione non fu una singola equazione, ma una pazienza ingegneristica — decenni trascorsi a sintonizzare campi elettrici e magnetici con tale precisione che un singolo elettrone poteva essere osservato, da solo, per mesi. Il linguaggio stesso del comitato per il Nobel, che lo ha accreditato per aver sviluppato un'intera tecnica sperimentale anziché una scoperta, riflette che si trattava tanto di maestria artigianale quanto di teoria: uno squisito design strumentale unito alla disponibilità a dedicare un'intera carriera a un unico difficile problema. I suoi colleghi dell'Università di Washington lo descrissero come colui che si era guadagnato "ogni possibile premio nel suo campo", e la linea di formazione che si è lasciato alle spalle — David Wineland, che ha esteso i metodi degli ioni intrappolati per vincere il proprio Premio Nobel nel 2012 — è di per sé la prova che l'approccio di Dehmelt ha ridefinito il modo in cui un'intera generazione di fisici pensava alla misurazione. Il controargomento onesto è che Dehmelt non ha ribaltato una teoria né predetto una nuova particella; l'elettrodinamica quantistica esisteva prima di lui, e la sua trappola l'ha testata anziché sostituirla. Il suo genio, se la parola si applica, fu quello del costruttore di strumenti che rende interrogabili domande precedentemente inaffrontabili — una forma di brillantezza più ristretta e meccanica di quella posseduta da un Feynman o un Einstein, ma una senza la quale le loro equazioni non avrebbero mai potuto essere verificate rispetto al mondo fisico.

Eredità

La trappola di Penning che Dehmelt ha contribuito a perfezionare è diventata uno strumento fondamentale della fisica moderna, alla base degli orologi atomici, della spettrometria di massa e dei computer quantistici a ioni intrappolati ora costruiti da aziende e università di tutto il mondo. Molto tempo dopo la sua morte nel 2017, il singolo punto bianco-azzurro che la sua squadra fotografò nel 1979 rimane una delle immagini più citate nella storia della fisica sperimentale — la prova che un atomo, da solo, poteva essere costretto a rimanere immobile ed essere visto.