I ricercatori hanno dimostrato una nuova interfaccia luce-materia, realizzando lo specchio più leggero possibile formato da un monostrato di 200 atomi. Credito:Istituto Max Planck di ottica quantistica
I fisici del Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) hanno progettato lo specchio ottico più leggero che si possa immaginare. Il nuovo metamateriale è costituito da un singolo strato strutturato che consiste solo di poche centinaia di atomi identici. Gli atomi sono disposti nella matrice bidimensionale di un reticolo ottico formato da raggi laser interferenti. I risultati della ricerca sono le prime osservazioni sperimentali del loro genere in un nuovo campo emergente solo di recente dell'ottica quantistica a lunghezza d'onda con atomi ordinati. Finora, lo specchio è unico nel suo genere. I risultati sono pubblicati oggi in Natura .
Generalmente, gli specchi utilizzano superfici metalliche altamente lucidate o vetri ottici con rivestimento speciale per migliorare le prestazioni con pesi inferiori. Ma i fisici dell'MPQ ora hanno dimostrato per la prima volta che anche un singolo strato strutturato di poche centinaia di atomi potrebbe già formare uno specchio ottico, rendendolo il più leggero che si possa immaginare. Il nuovo specchio è sottile solo poche decine di nanometri, che è mille volte più sottile della larghezza di un capello umano. Il riflesso, però, è così forte che potrebbe essere percepito anche con l'occhio umano puro.
Il meccanismo dietro lo specchio
Lo specchio funziona con atomi identici disposti in una matrice bidimensionale. Sono ordinati secondo uno schema regolare con una spaziatura inferiore alla lunghezza d'onda di transizione ottica dell'atomo, caratteristiche tipiche e necessarie dei metamateriali. I metamateriali sono strutture progettate artificialmente con proprietà molto specifiche che raramente si trovano in natura. Ottengono le loro proprietà non dai materiali di cui sono fatti ma dalle strutture specifiche con cui sono progettati. Le caratteristiche - il modello regolare e la spaziatura delle lunghezze d'onda - e la loro interazione sono i due meccanismi cruciali dietro questo nuovo tipo di specchio ottico. Prima di tutto, il modello regolare e la spaziatura delle lunghezze d'onda degli atomi sopprimono entrambi una diffusione diffusa della luce, raggruppando la riflessione in un fascio di luce unidirezionale e costante. Secondo, a causa della distanza relativamente stretta e discreta tra gli atomi, un fotone in arrivo può rimbalzare avanti e indietro tra gli atomi più di una volta prima di essere riflesso. Entrambi gli effetti, la diffusione soppressa della luce e il rimbalzo dei fotoni, portare ad una "migliore risposta cooperativa al campo esterno, "che significa in questo caso:una riflessione molto forte.
Jun Rui e David Wei, i due primi autori dell'articolo, davanti al loro complesso apparato sperimentale che ospita nel suo cuore invisibile all'occhio umano lo specchio più leggero possibile, uno specchio fatto di atomi. Credito:Istituto Max Planck di ottica quantistica
Progressi verso dispositivi quantistici più efficienti
Con un diametro di circa sette micron, lo specchio stesso è così piccolo che va ben oltre il riconoscimento visivo. L'apparato in cui viene creato il dispositivo, però, è enorme. In pieno stile con altri esperimenti di ottica quantistica, conta oltre mille singoli componenti ottici e pesa circa due tonnellate. Perciò, il nuovo materiale difficilmente avrebbe un impatto sugli specchi dei prodotti che le persone usano quotidianamente. L'influenza scientifica dall'altra parte può essere di vasta portata.
"I risultati sono molto entusiasmanti per noi. Come nei tipici insiemi sfusi diluiti, correlazioni mediate da fotoni tra atomi, che giocano un ruolo fondamentale nel nostro sistema, sono tipicamente trascurati nelle tradizionali teorie dell'ottica quantistica. D'altra parte, matrici ordinate di atomi realizzate caricando atomi ultrafreddi in reticoli ottici sono state utilizzate principalmente per studiare simulazioni quantistiche di modelli di materia condensata. Ma ora si rivela una potente piattaforma anche per studiare i nuovi fenomeni ottici quantistici, " spiega Jun Rui, Ricercatore postdoc e primo autore dell'articolo.
Ulteriori ricerche lungo questa trama potrebbero approfondire la comprensione fondamentale delle teorie quantistiche dell'interazione luce-materia, fisica a molti corpi con fotoni ottici, e consentire la progettazione di dispositivi quantistici più efficienti.
"Sono state aperte molte nuove entusiasmanti opportunità, come un intrigante approccio allo studio dell'optomeccanica quantistica, che è un campo in crescita dello studio della natura quantistica della luce con dispositivi meccanici. O, il nostro lavoro potrebbe anche aiutare a creare memorie quantistiche migliori o persino a costruire uno specchio ottico commutabile quantistico, "aggiunge David Wei, Dottore di ricerca e secondo autore. "Entrambi i quali sono interessanti progressi per l'elaborazione delle informazioni quantistiche".
