La luce può essere diretta in diverse direzioni, di solito anche indietro allo stesso modo. I fisici dell'Università di Bonn e dell'Università di Colonia hanno, però, riuscito a creare una nuova strada a senso unico per la luce. Raffreddano i fotoni fino a un condensato di Bose-Einstein, che fa sì che la luce si raccolga in "valli" ottici da cui non può più tornare. I risultati della ricerca di base potrebbero essere interessanti anche per la comunicazione quantistica del futuro. I risultati sono pubblicati in Scienza .

Un raggio di luce viene solitamente diviso venendo diretto su uno specchio parzialmente riflettente:una parte della luce viene quindi riflessa per creare l'immagine speculare. Il resto passa attraverso lo specchio. "Però, questo processo può essere invertito se l'impostazione sperimentale viene invertita, " dice il Prof. Dr. Martin Weitz dell'Istituto di Fisica Applicata dell'Università di Bonn. Se la luce riflessa e la parte della luce che passa attraverso lo specchio vengono inviate nella direzione opposta, il fascio di luce originale può essere ricostruito.

Il fisico studia gli stati quantistici ottici esotici della luce. Insieme al suo team e al Prof. Dr. Achim Rosch dell'Istituto di Fisica Teorica dell'Università di Colonia, Weitz stava cercando un nuovo metodo per generare strade a senso unico ottici raffreddando i fotoni:come risultato della minore energia dei fotoni, la luce dovrebbe raccogliersi nelle valli e quindi essere irreversibilmente divisa. I fisici hanno usato un condensato di Bose-Einstein fatto di fotoni per questo scopo, che Weitz ha raggiunto per la prima volta nel 2010, diventando il primo a creare un tale "super-fotone".

Un raggio di luce viene proiettato avanti e indietro tra due specchi. Durante questo processo, i fotoni si scontrano con molecole di colorante situate tra le superfici riflettenti. Le molecole di colorante "inghiottono" i fotoni e poi li sputano di nuovo. "I fotoni acquisiscono la temperatura della soluzione colorante, " dice Weitz. "Nel corso di questo, si raffreddano a temperatura ambiente senza perdersi."

Irradiando la soluzione colorante con un laser, i fisici aumentano il numero di fotoni tra gli specchi. La forte concentrazione delle particelle di luce combinata con il raffreddamento simultaneo fa sì che i singoli fotoni si fondano per formare un "super-fotone, " noto anche come condensato di Bose-Einstein.

Due valli ottiche "catturano" la luce

L'attuale esperimento ha funzionato secondo questo principio. Però, uno dei due specchi non era completamente piatto, ma aveva due piccole valli ottiche. Quando il raggio di luce entra in una delle rientranze, la distanza, e quindi la lunghezza d'onda, diventa leggermente più lungo. I fotoni hanno quindi un'energia inferiore. Queste particelle di luce vengono "raffreddate" dalle molecole di colorante e quindi passano in uno stato a bassa energia nelle valli.

Però, i fotoni nei rientri non si comportano come biglie che rotolano su un foglio ondulato. I marmi rotolano nelle valli della lamiera ondulata e vi restano, separati dai "picchi".

"Nel nostro esperimento, le due valli sono così vicine che si verifica un accoppiamento a tunnel, " riporta l'autore principale Christian Kurtscheid del team Weitz. Non è quindi più possibile determinare quali fotoni si trovano in quale valle. "I fotoni sono trattenuti nelle due valli ed entrano nello stato energetico più basso del sistema, " spiega Weitz. "Questo divide irreversibilmente la luce come se attraversasse un incrocio alla fine di una strada a senso unico, mentre le onde luminose rimangono in sintonia in trattini diversi."

Gli scienziati sperano che questa disposizione sperimentale consentirà di produrre stati quantistici ancora più complessi che consentano la generazione di stati multiparticelle fotonici interlacciati. "Forse i computer quantistici potrebbero un giorno utilizzare questo metodo per comunicare tra loro e formare una sorta di Internet quantistico, " dice Weitz con uno sguardo al futuro.