Gli elettroni all'interno di un atomo girano intorno al nucleo come satelliti intorno alla Terra, occupando orbite determinate dalla fisica quantistica. La luce può portare un elettrone a un altro, orbita più energetica, ma quell'altezza non dura per sempre. Ad un certo punto l'elettrone eccitato si rilasserà nella sua orbita originale, facendo sì che l'atomo emetta spontaneamente una luce che gli scienziati chiamano fluorescenza.

Gli scienziati possono giocare brutti scherzi con l'ambiente circostante di un atomo per modificare il tempo di rilassamento per gli elettroni ad alta quota, che poi determina il tasso di fluorescenza. In un nuovo studio, ricercatori del Joint Quantum Institute hanno osservato che un minuscolo filo di vetro, chiamato nanofibra ottica, ha avuto un impatto significativo sulla velocità con cui un atomo di rubidio rilascia luce. La ricerca, che è apparso come suggerimento dell'editore in Revisione fisica A , hanno mostrato che la fluorescenza dipendeva dalla forma della luce utilizzata per eccitare gli atomi quando erano vicini alla nanofibra.

"Gli atomi sono una specie di antenne, assorbendo la luce e riemettendola nello spazio, e qualsiasi cosa si trovi nelle vicinanze può potenzialmente influenzare questo processo radiativo, "dice Paolo Solano, l'autore principale dello studio e uno studente laureato dell'Università del Maryland al momento in cui è stata eseguita questa ricerca.

Per sondare come l'ambiente influenza queste antenne atomiche, Solano e i suoi collaboratori circondano una nanofibra con una nuvola di atomi di rubidio. Le nanofibre sono condotti su misura che consentono a gran parte della luce di viaggiare all'esterno della fibra, potenziando le sue interazioni con gli atomi. Gli atomi più vicini alla nanofibra, entro 200 nanometri, ne hanno sentito maggiormente la presenza. Parte della fluorescenza degli atomi in questa regione ha colpito la fibra ed è rimbalzata sugli atomi in uno scambio che alla fine ha modificato la durata dell'eccitazione dell'elettrone di un atomo di rubidio.

I ricercatori hanno scoperto che la durata degli elettroni e le successive emissioni atomiche dipendevano dalle caratteristiche ondulatorie della luce. Le onde luminose oscillano mentre viaggiano, a volte strisciando come un serpente sidewinder e altre volte avvitandosi come un filamento di DNA. I ricercatori hanno visto che per alcune forme di luce l'elettrone è rimasto nello stato eccitato, e per gli altri, ha fatto un'uscita più brusca.

"Siamo stati in grado di utilizzare le proprietà di oscillazione della luce come una sorta di manopola per controllare l'attivazione della fluorescenza atomica vicino alla nanofibra, "dice Solano.

Il team originariamente si proponeva di misurare gli effetti che la nanofibra aveva sugli atomi, e confrontare i risultati con le previsioni teoriche per questo sistema. Hanno trovato disaccordi tra le loro misurazioni e i modelli esistenti che incorporano molti dei complessi dettagli della struttura interna del rubidio. Questa nuova ricerca dipinge un quadro più semplice delle interazioni atomo-fibra, e il team afferma che sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere le discrepanze.

"Riteniamo che questo lavoro sia un passo importante nella ricerca in corso per una migliore comprensione dell'interazione tra luce e atomi vicino a una struttura a guida di luce su scala nanometrica, come la nanofibra ottica che abbiamo usato qui, " afferma William Phillips, membro del JQI e scienziato del NIST, che è anche uno dei principali investigatori dello studio.