Le quattro lenti circondano il risonatore e vengono utilizzate per focalizzare i raggi laser che trattengono l'atomo nel risonatore e per osservare l'atomo. Credito:Miguel Martinez-Dorantes / Università di Bonn
Supponiamo che ti sia stato permesso di bendare la stella del calcio tedesco Timo Werner e girarlo sul proprio asse più volte. Poi gli chiedi di sparare alla cieca. Sarebbe estremamente improbabile che colpisse l'obiettivo.
I fisici di Bonn sono tuttavia riusciti a ottenere un punteggio del 90% in una situazione simile. Però, il loro giocatore era quasi 10 miliardi di volte più piccolo dell'attaccante tedesco, e molto meno prevedibile.
Era un atomo di rubidio che i ricercatori avevano irradiato con luce laser. L'atomo aveva assorbito l'energia della radiazione ed era entrato in uno stato eccitato. Questo ha una durata definita. L'atomo rilascia successivamente l'energia assorbita emettendo una particella di luce:un fotone.
La direzione in cui vola questo fotone è puramente casuale. Però, questo cambia quando il rubidio viene posto tra due specchi paralleli, perché poi l'atomo preferisce sparare a uno degli specchi. Nell'esempio con Timo Werner, sarebbe come se il gol attirasse magicamente il pallone.
Questo fenomeno è chiamato effetto Purcell. La sua esistenza è stata scoperta diversi decenni fa. "Abbiamo ora utilizzato l'effetto Purcell per l'emissione mirata di fotoni da parte di un atomo neutro, " spiega il dottor Wolfgang Alt dell'Istituto di fisica applicata dell'Università di Bonn.
L'immagine mostra le due fibre di vetro (in alto al centro). Le loro estremità sono rivestite in modo riflettente in modo tale da formare un cosiddetto risonatore. L'atomo di rubidio è inserito tra di loro. Dopo l'eccitazione, irradia poi i fotoni principalmente nella direzione degli specchi (e quindi delle fibre di vetro). Gli specchi hanno un diametro di soli 0,1 mm. Credito:Jose Gallego / Università di Bonn
C'è un grande interesse per l'effetto Purcell, in parte perché rende possibile la costruzione dei cosiddetti ripetitori quantistici. Questi sono necessari per trasmettere informazioni quantistiche su lunghe distanze. Mentre è possibile mettere un fotone in un certo stato quantico e inviarlo attraverso una guida di luce, questo può essere fatto solo su distanze limitate; per distanze maggiori, il segnale deve essere bufferizzato.
I ripetitori trasmettono informazioni quantistiche
Nel ripetitore quantistico, il fotone è guidato verso un atomo che lo inghiotte e quindi si trasforma in un altro stato. In risposta a un impulso di lettura con un raggio laser, l'atomo sputa di nuovo la particella di luce. Le informazioni quantistiche memorizzate vengono conservate.
Il fotone emesso deve ora essere raccolto e riportato in una guida di luce. Ma questo è difficile quando il fotone viene rilasciato in una direzione casuale. "Siamo riusciti a forzare i fotoni sul percorso tra i due specchi usando l'effetto Purcell, "Spiega Alt. "Ora abbiamo realizzato uno degli specchi parzialmente trasmissivo e collegato ad esso una fibra di vetro. Questo ci ha permesso di introdurre il fotone in questa fibra in modo relativamente efficiente".
L'effetto Purcell ha anche un altro vantaggio:riduce il tempo impiegato dall'atomo di rubidio per memorizzare e rilasciare le informazioni quantistiche. Questo guadagno di velocità è estremamente importante. Solo se il ripetitore funziona abbastanza velocemente può comunicare con il trasmettitore delle informazioni, un cosiddetto punto quantico. Oggi, i punti quantici sono considerati la migliore fonte di singoli fotoni per la trasmissione di informazioni quantistiche, che è completamente al sicuro dall'essere intercettato. "I nostri esperimenti stanno portando questa importante tecnologia futura un passo avanti, "dice Alt.
