Super Fotone - il nuovo stato della luce

Super Fotone - il nuovo stato della luce

Un singolo "super fotone" composto da molte migliaia di particelle di luce individuali: Circa dieci anni fa, i ricercatori dell'Università di Bonn hanno prodotto per la prima volta un tale stato aggregato estremo e hanno presentato una fonte di luce completamente nuova. Lo stato è chiamato condensato ottico di Bose-Einstein e da allora ha affascinato molti fisici, perché questo mondo esotico di particelle di luce ospita i suoi propri fenomeni fisici.


I ricercatori guidati dal Prof. Dr. Martin Weitz, che ha scoperto il super fotone, e il fisico teorico Prof. Dr. Johann Kroha sono tornati dalla loro ultima "spedizione" nel mondo quantistico con un'osservazione molto speciale. Riferiscono di una nuova transizione di fase, precedentemente sconosciuta, nel condensato ottico di Bose-Einstein. Si tratta di una cosiddetta fase sovrasmorzata. I risultati potrebbero a lungo termine essere rilevanti per la comunicazione quantistica criptata. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science.


Il condensato di Bose-Einstein è uno stato fisico estremo che di solito si verifica solo a temperature molto basse. Cosa c'è di speciale: Le particelle di questo sistema non sono più distinguibili e sono prevalentemente nello stesso stato meccanico quantistico, in altre parole si comportano come un'unica gigantesca "superparticella". Lo stato può quindi essere descritto da una singola funzione d'onda.


Nel 2010, i ricercatori guidati da Martin Weitz sono riusciti per la prima volta a creare un condensato di Bose-Einstein da particelle di luce (fotoni). Il loro sistema speciale è ancora in uso oggi: I fisici intrappolano le particelle di luce in un risonatore fatto di due specchi curvi distanziati di poco più di un micrometro che riflettono un fascio di luce rapidamente alternato. Lo spazio è riempito con una soluzione liquida di colorante, che serve a raffreddare i fotoni. Questo viene fatto dalle molecole di colorante che "ingoiano" i fotoni e poi li sputano fuori di nuovo, il che porta le particelle di luce alla temperatura della soluzione di colorante - equivalente alla temperatura ambiente. Sfondo: Il sistema rende possibile raffreddare le particelle di luce in primo luogo, perché la loro caratteristica naturale è quella di dissolversi quando vengono raffreddate.


Super Fotone - il nuovo stato della luce

Separazione netta di due fasi

La transizione di fase è ciò che i fisici chiamano la transizione tra acqua e ghiaccio durante il congelamento. Ma come avviene questa particolare transizione di fase nel sistema di particelle di luce intrappolate? Gli scienziati lo spiegano così: Gli specchi un po' traslucidi fanno sì che i fotoni vengano persi e sostituiti, creando un non-equilibrio che fa sì che il sistema non assuma una temperatura definita e venga messo in oscillazione. Questo crea una transizione tra questa fase oscillante e una fase smorzata. Smorzata significa che l'ampiezza della vibrazione diminuisce.


"La fase smorzata che abbiamo osservato corrisponde a un nuovo stato del campo luminoso, per così dire", dice l'autore principale Fahri Emre Öztürk, uno studente di dottorato presso l'Istituto di Fisica Applicata dell'Università di Bonn. La caratteristica speciale è che l'effetto del laser di solito non è separato da quello del condensato di Bose-Einstein da una transizione di fase, e non c'è un confine ben definito tra i due stati. Questo significa che i fisici possono continuamente muoversi avanti e indietro tra gli effetti.


"Tuttavia, nel nostro esperimento, lo stato sovrasmorzato del condensato ottico di Bose-Einstein è separato da una transizione di fase sia dallo stato oscillante che da un laser standard", dice il leader dello studio Prof. Dr. Martin Weitz. "Questo dimostra che c'è un condensato di Bose-Einstein, che è davvero uno stato diverso dal laser standard". "In altre parole, abbiamo a che fare con due fasi separate del condensato ottico di Bose-Einstein", sottolinea.


I ricercatori hanno intenzione di utilizzare i loro risultati come base per ulteriori studi per cercare nuovi stati del campo di luce in condensati di luce multipli accoppiati, che possono anche verificarsi nel sistema. "Se nei condensati di luce accoppiati si verificano adeguati stati entangled dal punto di vista della meccanica quantistica, questo potrebbe essere interessante per la trasmissione di messaggi criptati a livello quantistico tra più partecipanti", dice Fahri Emre Öztürk.

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