Un team internazionale di fisici del Mandelstam Institute for Theoretical Physics della Wits University e dell'Institut Néel di Grenoble, Francia, ha creato un minuscolo circuito superconduttore che imita il processo quantomeccanico in cui un atomo assorbe o emette luce.

Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato Informazioni quantistiche , ed è stato evidenziato in un articolo editoriale sulla stessa rivista. Ciò che rende unico il loro dispositivo è che ottengono un'interazione luce-materia artificiale che è un ordine di grandezza più grande che nel mondo in generale.

Il team era guidato da Nicholas Roch dell'Institut Néel presso il Centre National de la Researche Scientifique in Francia. Gli esperimenti sono stati condotti dal Ph.D. studenti Javier Martínez e Sébastien Léger.

"Il vantaggio di dispositivi artificiali come il nostro è che possono essere facilmente modificati. In questo modo possono essere fatti imitare altri sistemi noti che interagiscono fortemente, "dice il dottor Izak Snyman, dalla Wits University, che ha svolto un ruolo di primo piano nella modellazione teorica del dispositivo e nell'analisi e interpretazione dei dati sperimentali.

"Un'applicazione entusiasmante è usare il nostro dispositivo per simulare fenomeni quantistici che si verificano all'interno di un pezzo di metallo, dove non è possibile osservare ciò che sta accadendo così da vicino come nel nostro sistema artificiale."

Il team ha ottenuto il miglioramento dell'interazione della materia leggera incorporando il loro atomo artificiale all'interno di una serie accuratamente modellata di minuscoli superconduttori identici, ciascuno di circa 1000 nanometri di dimensione (1000 di millimetro). Alla luce emessa o assorbita dall'atomo artificiale, questo sembra un cristallo, che riduce drasticamente la velocità con cui viaggia la luce. Di conseguenza, c'è più tempo perché un impulso luminoso interagisca con l'atomo artificiale, e ne risulta una più forte interazione.

Per determinare la forza dell'interazione della materia leggera, il team ha studiato la velocità con cui il loro atomo emette luce. Hanno confrontato questo con la velocità con cui l'"elettrone" nei loro atomi artificiali orbita. Quando un elettrone in un normale atomo di idrogeno orbita circa 10 milioni di volte prima di decadere ed emettere un pacchetto di luce, i ricercatori sono riusciti a far decadere l'atomo artificiale ed emettere un pacchetto di luce dopo solo 10 oscillazioni.

"Questo mostra un'interazione sorprendentemente forte tra la luce e l'atomo, " dice Snyman. "Nei dispositivi precedenti in cui questa impresa è stata raggiunta, l'ambiente attraverso il quale la luce doveva viaggiare si comportava invariabilmente in modo simile a un diapason per la luce, favorendo fortemente una singola frequenza luminosa."

Non scegliendo una particolare frequenza (o colore), l'ambiente consente l'emergere di un comportamento molto più ricco dall'interazione luce-materia rispetto ai dispositivi precedenti. Per di più, mentre per un dato atomo naturale, uno è bloccato con la forza di interazione che la natura sceglie, nel nuovo dispositivo può essere regolato manualmente.

"È come avere un'app che consente di regolare la quantità di carica elettrica trasportata da un protone o da un elettrone, piuttosto che accontentarsi dell'importo forfettario decretato dalla natura, "dice Snyman.

Sebbene non ci siano necessariamente applicazioni del mondo reale per questo nuovo dispositivo, Snyman ritiene che fornisca agli scienziati una nuova serie di strumenti per esplorare sistemi di meccanica quantistica fortemente interagenti.

"Molte domande fondamentali senza risposta in fisica implicano interazioni forti. Ad esempio, come si legano i quark per formare protoni e neutroni? Dispositivi come il nostro possono fornire indizi su questi enigmi".