Le particelle di luce normalmente non si "sentono" l'una con l'altra perché non c'è interazione che agisce tra di loro. I ricercatori dell'ETH sono ora riusciti a manipolare i fotoni all'interno di un materiale semiconduttore in modo tale da farli respingere l'un l'altro.

Due fasci di luce che si incrociano non si deviano a vicenda. Questo perchè, secondo le leggi della fisica quantistica, non c'è interazione tra particelle di luce o fotoni. Perciò, in una collisione due fotoni passano semplicemente l'uno attraverso l'altro invece di rimbalzare l'uno sull'altro, a meno che uno non li aiuti in qualche modo. Infatti, i ricercatori hanno cercato per un po' di tempo di trovare tecniche per far "sentire" i fotoni l'uno con l'altro. La speranza è che ciò si traduca in molte nuove possibilità per la ricerca e per le applicazioni pratiche. Ataç Imamoglu, professore all'Institute for Quantum Electronics all'ETH di Zurigo, ei suoi collaboratori hanno ora compiuto un ulteriore importante passo verso la realizzazione di fotoni fortemente interagenti. I risultati della loro ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Materiali della natura .

Trasformazione in polaritoni

"I fotoni che interagiscono fortemente sono una specie di Santo Graal nel nostro campo di ricerca, fotonica", spiega Aymeric Delteil, che lavora come post-doc nel laboratorio di Imamoğlu. Per fare in modo che le particelle di luce si respingano a vicenda, lui e i suoi colleghi devono arrivare a una certa lunghezza, anche se. Utilizzando una fibra ottica, inviano brevi impulsi laser in un risonatore ottico, all'interno del quale la luce è fortemente focalizzata e infine colpisce un materiale semiconduttore. Quel materiale (prodotto dai colleghi di Imamoğlu a Würzburg e St. Andrew's in Scozia) viene raffreddato all'interno di un criostato – una specie di frigorifero estremamente potente – fino a meno 269 gradi centigradi. A quelle basse temperature i fotoni possono combinarsi con le eccitazioni elettroniche del materiale. Questa combinazione si traduce nei cosiddetti polaritoni. All'estremità opposta del materiale i polaritoni tornano ad essere fotoni, che può quindi uscire dal risonatore.

Poiché ci sono forze elettromagnetiche che agiscono tra le eccitazioni elettroniche, nasce un'interazione anche tra i polaritoni. "Siamo stati in grado di rilevare quel fenomeno già tempo fa", dice Imamoğlu. "Però, all'epoca l'effetto era così debole che solo le interazioni tra un gran numero di polaritoni giocavano un ruolo, ma non la repulsione a coppie tra i singoli polaritoni."

Correlazioni segnale interazioni

Nel loro nuovo esperimento, i ricercatori sono stati ora in grado di dimostrare che i singoli polaritoni – e quindi, indirettamente, i fotoni in essi contenuti – possono, infatti, interagiscono tra loro. Questo può essere dedotto dal modo in cui i fotoni che escono dal risonatore si correlano tra loro. Per rivelare quelle cosiddette correlazioni quantistiche, si misura la probabilità che un secondo fotone esca dal risonatore poco dopo un altro. Se i fotoni si intralciano a vicenda attraverso i loro polaritoni all'interno del semiconduttore, quella probabilità sarà inferiore a quella che ci si aspetterebbe da fotoni non interagenti.

Nel caso estremo dovrebbe esserci anche un "blocco di fotoni", un effetto che Imamoğlu aveva già postulato 20 anni fa. Un fotone nel semiconduttore che ha creato un polaritone impedisce quindi completamente a un secondo fotone di entrare nel materiale e trasformarsi in un polaritone stesso. "Siamo lontani dal rendercene conto", Imamoğlu ammette, "ma nel frattempo abbiamo ulteriormente migliorato il nostro risultato appena pubblicato. Questo significa che siamo sulla strada giusta". L'obiettivo a lungo termine di Imamoğlu è fare in modo che i fotoni interagiscano così fortemente tra loro da iniziare a comportarsi come fermioni, come particelle quantistiche, in altre parole, che non si trovano mai nello stesso posto.

Interesse per polaritoni fortemente interagenti

In primo luogo, Imamoğlu non è interessato alle candidature. "Questa è davvero una ricerca di base, " dice. "Ma speriamo di essere in grado, un giorno, creare polaritoni che interagiscono così fortemente da poterli utilizzare per studiare nuovi effetti nella fisica quantistica difficili da osservare altrimenti." Il fisico è particolarmente interessato a situazioni in cui i polaritoni sono anche in contatto con il loro ambiente e scambiano energia con esso .Quello scambio di energia, combinato con le interazioni tra i polaritoni, dovrebbe, secondo i calcoli dei fisici teorici. portare a fenomeni per i quali ci sono finora solo spiegazioni rudimentali. Esperimenti come quelli condotti da Imamoğlu potrebbero, perciò, aiutano a comprendere meglio i modelli teorici.