Le trappole nanoottiche sono un promettente elemento costitutivo per le tecnologie quantistiche. Scienziati austriaci e tedeschi hanno ora rimosso un importante ostacolo al loro uso pratico. Sono stati in grado di dimostrare che una forma speciale di vibrazione meccanica riscalda le particelle intrappolate in un tempo molto breve e le fa uscire dalla trappola.

Controllando i singoli atomi, le proprietà quantistiche possono essere studiate e rese utilizzabili per applicazioni tecnologiche. Da circa dieci anni, i fisici hanno lavorato su una tecnologia in grado di catturare e controllare gli atomi:le cosiddette trappole nanoottiche.

La tecnica di catturare oggetti microscopici con luce nota da pinzette ottiche viene applicata a guide d'onda ottiche, in questo caso una speciale fibra di vetro. La fibra di vetro può essere sottile solo poche centinaia di nanometri, cioè circa 100 volte più sottile di un capello umano. La luce laser di diverse frequenze viene inviata nella fibra di vetro, creando un campo luminoso attorno alla guida d'onda che può contenere singoli atomi.

Fino ad ora, però, l'applicabilità di questa tecnologia è stata limitata dal fatto che gli atomi sono diventati molto caldi dopo pochissimo tempo e si sono persi. La velocità di riscaldamento era di tre ordini di grandezza superiore a quella delle pinzette ottiche, dove il campo luminoso è generato nello spazio libero. Nonostante un'intensa ricerca, in precedenza non era stato possibile determinarne la causa.

Ora, Daniel Hümmer e Oriol Romero-Isart dell'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica dell'Accademia austriaca delle scienze e del Dipartimento di fisica teorica dell'Università di Innsbruck in collaborazione con Philipp Schneeweiss e Arno Rauschenbeutel dell'Università Humboldt di Berlino hanno analizzato attentamente il sistema. Con il loro modello teorico, sono stati in grado di dimostrare che una certa forma di vibrazione meccanica della fibra di vetro è responsabile del forte riscaldamento delle particelle.

Lo riportano i fisici sulla rivista Revisione fisica X ("Riscaldamento in trappole nanofotoniche per atomi freddi").

Vibrazioni meccaniche

"Queste sono le vibrazioni che sorgono quando lasci che le onde viaggino lungo una corda, " spiega Daniel Hümmer. "Le particelle, che galleggiano solo a circa 200 nanometri sopra la superficie della guida d'onda, si surriscaldano molto rapidamente a causa di queste vibrazioni."

La velocità di riscaldamento che è stata ora teoricamente determinata concorda molto bene con i risultati sperimentali. Questa scoperta ha importanti conseguenze per le applicazioni:da un lato, la tecnologia può essere notevolmente migliorata con semplici contromisure. Tempi di coerenza più lunghi consentono quindi esperimenti e applicazioni più complesse. D'altra parte, i fisici sospettano che le loro scoperte potrebbero essere utili anche per molte trappole nanofotoniche simili. Il modello teorico che hanno ora pubblicato fornisce linee guida essenziali per la progettazione di tali trappole atomiche.

"Quando si producono queste trappole, non solo le proprietà ottiche devono essere prese in considerazione, ma anche le proprietà meccaniche, " sottolinea Oriol Romero-Isart. "I nostri calcoli qui danno importanti indicazioni su quali effetti meccanici sono più rilevanti".

Poiché la forza dell'interazione tra singoli atomi e fotoni è particolarmente elevata nelle trappole nanoottiche, un problema con cui lottano molti altri concetti, questa tecnologia apre le porte a un nuovo campo della fisica. Molte considerazioni teoriche sono già state fatte negli ultimi anni. I fisici austriaci e tedeschi hanno ora eliminato un grosso ostacolo lungo il percorso.