Interagire i fotoni con coppie di atomi

I fisici di EPFL hanno trovato per la prima volta un modo di ottenere fotoni per interagire con coppie di atomi. La svolta è importante per il campo dell'elettrodinamica quantistica della cavità (QED), un campo all'avanguardia che conduce la strada alle tecnologie quantistiche.

Non c'è dubbio che stiamo muovendo costantemente verso un'epoca di tecnologie basate sulla fisica quantistica. Ma per arrivarci, prima dobbiamo padroneggiare la capacità di far interagire la luce con la materia - o più tecnicamente, i fotoni con gli atomi.

Questo è già stato raggiunto in una certa misura, dandoci il campo all'avanguardia dell'elettrodinamica quantistica della cavità (QED), che è già utilizzata nelle reti quantistiche e nell'elaborazione delle informazioni quantistiche. Nondimeno, c'è ancora molta strada da percorrere. Le attuali interazioni luminose sono limitate agli atomi individuali, che limitano la nostra capacità di studiarli nel tipo di sistemi complessi coinvolti nelle tecnologie basate su dinamiche quantistiche.

In un documento pubblicato su natura, (1) i ricercatori del gruppo del dottor Jean-Philippe Brantut, (2) che opera presso la Scuola di Scienze di base di EPFL (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne), hanno trovato un modo per ottenere fotoni con coppie di atomi a temperature ultra-basse.

I ricercatori hanno usato ciò che è noto come Gas Fermi, uno stato di materia fatto di atomi che assomiglia a quelli degli elettroni nei materiali. «In assenza di fotoni, il gas può essere preparato in uno stato in cui gli atomi interagiscono molto fortemente l'uno con l'altro, formando coppie in modo liberato», spiega Brantut. «Poiché la luce viene inviata sul gas, alcune di queste coppie possono essere trasformate in molecole chimicamente legate assorbendo con i fotoni».

Un concetto chiave in questo nuovo effetto è che accade “coerentemente”, il che significa che il fotone può essere assorbito per trasformare una coppia di atomi in una molecola, quindi emesso indietro, quindi riassorbito più volte. «Ciò implica che il sistema pair-photon forma un nuovo tipo di “particella” - tecnicamente un'eccitazione - che chiamiamo pair-polariton», afferma Brant. «Questo è reso possibile nel nostro sistema, dove i fotoni sono confinati in una “optical cavity” - una scatola chiusa che li costringe a interagire fortemente con gli atomi».

Le coppie ibride pair-polariton assumono alcune delle proprietà dei fotoni, il che significa che possono essere misurate con metodi ottici. Prendono anche alcune delle proprietà del gas Fermi, come il numero di coppie di atomo che aveva originariamente prima dei fotoni in arrivo.

«Alcune delle proprietà molto complesse del gas sono tradotte su proprietà ottiche, che possono essere misurate in modo diretto, e anche senza perturbare il sistema», afferma Brantut. «Una domanda futura sarebbe in chimica quantistica, dal momento che dimostriamo che alcune reazioni chimiche possono essere prodotte coerentemente usando fotoni singoli».

Riferimenti:

(1) Universal pair polaritons in a strongly interacting Fermi gas

(2) Jean-Philippe Brantut

Descrizione foto: Una collezione di coppie di atomi all'interno di una cavità ottica formata da un paio di specchi rivolti verso l'altro. La luce intrappolata tra gli specchi trasforma costantemente le coppie di atomi in molecole. - Credit: studio Ella Maru.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Light-matter interactions propel quantum technologies forward