Come si fa a fermare qualcosa che è più veloce di qualsiasi altra cosa, intangibile e sempre in movimento per natura? Un team guidato dai fisici Dr. Thorsten Peters e dal professor Thomas Halfmann sta facendo l'apparentemente impossibile:fermare la luce per minuscole frazioni di secondo. Quindi terminano la sosta premendo un pulsante lasciando che l'impulso luminoso continui il suo viaggio. I ricercatori stanno persino bloccando singole particelle di luce.

Quello che sembra un espediente fisico potrebbe essere utile per applicazioni future. La cosiddetta tecnologia quantistica tenta di utilizzare gli effetti bizzarri della fisica quantistica per computer più veloci, sensori più precisi e comunicazioni a prova di bug. fotoni, utilizzati nella tecnologia quantistica come vettori di informazioni, giocano un ruolo decisivo in questo.

A tal fine, fisici, Per esempio, richiedono sorgenti luminose che emettono singoli fotoni con la semplice pressione di un pulsante. Per elaborare le informazioni memorizzate sulle particelle di luce, sarebbe anche importante che i singoli fotoni interagissero, cosa che di solito non fanno. Nei futuri computer quantistici, i fotoni dovranno ad esempio trasferire le loro informazioni agli atomi e viceversa. Anche a tal fine, l'interazione tra i due tipi di particelle deve essere intensificata, che i fotoni fermati dal gruppo della TU Darmstadt potrebbero rendere possibile.

Come funziona questo arresto di emergenza per la luce? Da qualche tempo è possibile congelare i fotoni e riemetterli a comando. Però, mentre sono fermi, i fotoni non esistono in quanto tali. Sono inghiottiti da una nuvola atomica, che assume quindi un cosiddetto stato eccitato e memorizza il fotone come informazione. Solo alla ricezione di un segnale l'eccitazione si trasforma di nuovo in un fotone, che poi prosegue. I ricercatori di Darmstadt lo stanno facendo in modo simile, ma con una differenza cruciale:i loro fotoni sono effettivamente preservati.

La luce si ferma letteralmente. Il team utilizza una speciale fibra di vetro con un canale cavo al centro con un diametro inferiore a dieci millesimi di millimetro. La fibra ha una struttura porosa intorno al nucleo che tiene a bada la luce. Ciò fa sì che un raggio laser si concentri al centro del canale cavo. La sua sezione trasversale si restringe a circa un millesimo di millimetro. I ricercatori usano il raggio di luce come una sorta di trappola per gli atomi. Introducono atomi di rubidio nella fibra cava, che si concentrano al centro del raggio laser a causa delle forze elettromagnetiche. I ricercatori inviano quindi i fotoni che vogliono fermare nel canale. In parole povere, il fotone viene arrestato completamente da due ulteriori raggi laser che vengono guidati nella fibra cava su entrambi i lati. Metaforicamente parlando, questi trattengono i fotoni tra di loro come due calciatori che calciano la palla avanti e indietro.

"È anche simile a una camera in cui la luce viene proiettata avanti e indietro tra due specchi, " come spiega Thorsten Peters. "Solo senza uno specchio." Il team TU è il primo a riuscire a rallentare i fotoni in un capillare così stretto in questo modo e non è stato facile. È reso estremamente complicato da una proprietà ottica nota come birifrangenza.Il team è stato in grado di perfezionare il proprio metodo attraverso una laboriosa analisi della birifrangenza fino al punto in cui è diventato possibile fermare i singoli fotoni.

Ma semplicemente fermando la luce stessa non si accontentavano. "Il nostro obiettivo, "dice Pietro, "era di far interagire i fotoni con gli atomi in modo più forte di quanto non facciano normalmente". In particolare, dovrebbe essere possibile che due particelle leggere interagiscano con un atomo allo stesso tempo, che produrrebbe un fenomeno utile noto in fisica come ottica non lineare in cui i fotoni penetrano in un mezzo, come un cristallo speciale. Quando due fotoni colpiscono simultaneamente uno degli atomi nel cristallo, interagiscono tra loro, che cambia la frequenza, cioè., il colore, della luce. La nuova frequenza potrebbe, Per esempio, essere la somma delle frequenze dei fotoni che vengono inviati.

Ci sono molte applicazioni tecniche per tali effetti, per esempio nei puntatori laser. Il metodo ha uno svantaggio:sono necessari laser ad alta intensità per garantire che un numero sufficiente di fotoni colpisca simultaneamente un atomo all'interno del mezzo. "Con il nostro metodo, d'altra parte, "dice Pietro, "può essere sufficiente una debole intensità luminosa." Ciò è possibile perché gli atomi sono confinati nella stessa area ristretta del raggio laser all'interno della fibra cava, massimizzando così il contatto tra la luce e la nube atomica. Pertanto la probabilità che due fotoni colpiscano un atomo contemporaneamente è relativamente alta anche quando l'intensità della luce è bassa. Quindi lo stesso trucco tecnico che permette di fermare i fotoni dovrebbe creare anche un nuovo metodo per l'ottica non lineare.

Il team di Darmstadt ha più idee su come applicare il suo nuovo processo. Uno di questi prevede una sorgente commutabile per singoli fotoni. Un altro è creare un cristallo fatto di fotoni. I cristalli di solito sono costituiti da atomi disposti in una griglia assolutamente regolare, paragonabili a sfere stratificate. Un gran numero di fotoni fermi potrebbe anche formare una griglia ordinata. "Potremmo usarlo per simulare un solido, " afferma Peters. La fisica dei materiali solidi è un campo di ricerca attivo. I modelli teorici vengono utilizzati nella ricerca per ottenere una migliore comprensione di essi, spesso attraverso simulazioni al computer. Ma i modelli sono così complessi che sopraffanno rapidamente i computer. I ricercatori sono quindi cercando altri modi per imitare i cristalli.Un solido simulato fatto di fotoni sarebbe un modo per farlo.

"Stiamo continuando a lavorare intensamente su questo, " dice Peters. Secondo il fisico, la collaborazione con altri gruppi di ricerca è cruciale per il successo. Il team ha realizzato il lavoro attuale in collaborazione con gruppi di Taiwan e Bulgaria nell'ambito di un progetto finanziato dall'UE. Nel progetto di ricerca sono coinvolti anche partner industriali, il cui obiettivo è sviluppare tecnologie innovative per l'interazione della luce con la materia. "Lo scambio è molto attivo, Peters è lieto di dire. I prossimi successi non tarderanno ad arrivare.