I fononi sono unità discrete di energia vibrazionale previste dalla meccanica quantistica che corrispondono a oscillazioni collettive di atomi all'interno di una molecola o di un cristallo. Quando tali vibrazioni sono prodotte dalla luce che interagisce con un materiale, l'energia vibrazionale può essere trasferita avanti e indietro tra i singoli fononi e i singoli pacchetti di energia luminosa, i fotoni. Questo processo è chiamato effetto Raman.

In un nuovo studio, il laboratorio di Christophe Galland presso l'Istituto di Fisica dell'EPFL ha sviluppato una tecnica per misurare, in tempo reale e a temperatura ambiente, la creazione e distruzione di singoli fononi, aprendo possibilità entusiasmanti in vari campi come la spettroscopia e le tecnologie quantistiche.

La tecnica utilizza impulsi laser ultracorti, che sono lampi di luce che durano meno di 10 ^-13 secondi (una frazione di un trilionesimo di secondo). Primo, uno di questi impulsi viene sparato su un cristallo di diamante per eccitare un singolo fonone al suo interno. Quando questo accade, un fotone partner viene creato a una nuova lunghezza d'onda attraverso l'effetto Raman e viene osservato con un rivelatore specializzato, annunciando il successo della fase di preparazione.

Secondo, interrogare il cristallo e sondare il fonone appena creato, gli scienziati sparano un altro impulso laser nel diamante. Grazie ad un altro rilevatore, ora registrano i fotoni che hanno riassorbito l'energia della vibrazione. Questi fotoni sono testimoni che il fonone era ancora vivo, il che significa che il cristallo stava ancora vibrando esattamente con la stessa energia.

Questo è in forte contraddizione con la nostra intuizione:siamo abituati a vedere oggetti vibranti perdere progressivamente la loro energia nel tempo, come una corda di chitarra il cui suono svanisce. Ma in meccanica quantistica questo è "tutto o niente":il cristallo o vibra di un'energia specifica o è nel suo stato di riposo; non c'è stato permesso in mezzo. Il decadimento del fonone nel tempo si osserva quindi come una diminuzione della probabilità di trovarlo nello stato eccitato invece di essere saltato giù allo stato di riposo.

Attraverso questo approccio, gli scienziati potrebbero ricostruire la nascita e la morte di un singolo fonone analizzando l'uscita dei due rivelatori di fotoni. "Nel linguaggio della meccanica quantistica, l'atto di misurare il sistema dopo il primo impulso crea uno stato quantistico ben definito del fonone, che viene sondato dal secondo impulso, " dice Christophe Galland. "Possiamo quindi mappare il decadimento fononico con una risoluzione temporale molto fine modificando il ritardo temporale tra gli impulsi da zero a pochi trilionesimi di secondo (10 ^-12 secondi o picosecondi)."

La nuova tecnica può essere applicata a molti diversi tipi di materiali, dai cristalli sfusi fino alle singole molecole. Può anche essere raffinato per creare stati quantistici vibrazionali più esotici, come gli stati entangled in cui l'energia è "delocalizzata" su due modi vibrazionali. E tutto questo può essere eseguito in condizioni ambientali, evidenziando che fenomeni quantistici esotici possono verificarsi nella nostra vita quotidiana, dobbiamo solo guardare molto velocemente.