I ricercatori di Würzburg e di Londra sono riusciti a controllare l'accoppiamento di luce e materia a temperatura ambiente. Hanno pubblicato i loro risultati in Progressi scientifici .

Questo risultato è particolarmente significativo, in quanto pone le basi per la realizzazione di pratiche tecnologie quantistiche fotoniche. Mentre molte dimostrazioni di processi quantistici ottici richiedono temperature criogeniche per proteggere gli stati quantistici, il presente lavoro eleva i processi quantistici a temperatura ambiente e introduce la controllabilità, che potrebbe contribuire allo sviluppo dei computer quantistici.

Una particella di luce (fotone) viene generata quando una molecola eccitata o un punto quantico ritorna al suo stato fondamentale a bassa energia. Questo processo è noto come emissione spontanea, ed è solitamente irreversibile, cioè un fotone emesso non tornerà semplicemente all'emettitore per essere nuovamente assorbito.

Ma se l'emettitore è intimamente accoppiato a un risonatore ottico, il fotone emesso rimane nelle vicinanze dell'emettitore per un periodo di tempo sufficientemente lungo, aumentando notevolmente le sue possibilità di riassorbimento. "Una tale inversione dell'emissione spontanea è di grande importanza per le tecnologie quantistiche e l'elaborazione delle informazioni, poiché facilita lo scambio di informazioni quantistiche tra materia e luce preservando le proprietà quantistiche di entrambi, "dice il professor Ortwin Hess dell'Imperial College.

Un tale scambio di informazioni quantistiche è, però, di solito possibile solo a temperature molto basse, che rende nettamente le righe spettrali degli emettitori, e quindi aumenta la probabilità di assorbimento. I team dei professori Bert Hecht e Ortwin Hess sono riusciti a raggiungere uno stato di forte accoppiamento di luce e un singolo emettitore quantistico a temperatura ambiente.

Per ottenere il riassorbimento di un fotone a temperatura ambiente, i ricercatori hanno utilizzato un nanorisonatore plasmonico, sotto forma di una fessura estremamente stretta in un sottile strato d'oro. "Questo risonatore ci permette di concentrare spazialmente l'energia elettromagnetica di un fotone immagazzinato in un'area non molto più grande del punto quantico stesso, " spiega Heiko Groß, collaboratore del professor Hecht. Di conseguenza, il fotone immagazzinato viene riassorbito con alta probabilità dall'emettitore.

Mentre idee simili sono già state implementate da altri ricercatori in sistemi come singole molecole, nello studio attuale, i ricercatori hanno controllato l'accoppiamento tra il risonatore e l'emettitore quantistico implementando un metodo che consente loro di cambiare continuamente l'accoppiamento e, in particolare, per accenderlo e spegnerlo in modo preciso. Il team ha raggiunto questo obiettivo collegando il nano-risonatore alla punta di un microscopio a forza atomica. In questo modo sono in grado di spostarlo con precisione nanometrica nelle immediate vicinanze dell'emettitore, in questo caso, un punto quantico.

Basandosi sulla loro realizzazione, i ricercatori ora sperano di essere in grado di manipolare in modo controllabile l'accoppiamento del punto quantico e del risonatore non solo cambiando la loro distanza, ma anche attraverso stimoli esterni, forse anche da singoli fotoni. Ciò comporterebbe nuove possibilità senza precedenti per i computer quantistici ottici.

"È chiaramente una caratteristica molto utile che lo scambio di energia tra il punto quantico e il risonatore avvenga in modo estremamente rapido, " dice Groß. Questo risolve una sfida di una configurazione a bassa temperatura:a temperature molto basse, l'oscillazione dell'energia tra luce e materia è notevolmente rallentata dai lunghi tempi di immagazzinamento del risonatore.