Fisici presso la Chalmers University of Technology in Svezia, insieme ai colleghi in Russia e Polonia, sono riusciti a ottenere un accoppiamento ultra forte tra luce e materia a temperatura ambiente. La scoperta è importante per la ricerca fondamentale e potrebbe aprire la strada a progressi nelle sorgenti luminose, nanomacchine e tecnologia quantistica.

Un insieme di due oscillatori accoppiati è uno dei sistemi più fondamentali e ampiamente utilizzati in fisica. È un modello giocattolo molto generale che descrive una pletora di sistemi tra cui corde di chitarra, risonatori acustici, la fisica delle altalene dei bambini, molecole e reazioni chimiche, sistemi legati gravitazionalmente, e l'elettrodinamica della cavità quantistica.

Il grado di accoppiamento tra i due oscillatori è un parametro importante che determina maggiormente il comportamento del sistema accoppiato. Però, non si sa molto del limite superiore per il quale due pendoli possono accoppiarsi tra loro, e quali conseguenze può avere tale accoppiamento.

I risultati appena presentati, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , offrono uno sguardo nel dominio del cosiddetto accoppiamento ultra-forte, in cui la forza di accoppiamento diventa paragonabile alla frequenza di risonanza degli oscillatori. L'accoppiamento in questo lavoro è realizzato attraverso l'interazione tra luce ed elettroni in un minuscolo sistema costituito da due specchi d'oro separati da una piccola distanza e nanotubi d'oro plasmonici. Su una superficie cento volte più piccola della punta di un capello umano, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile creare un'interazione controllabile ultra-forte tra luce e materia in condizioni ambientali, vale a dire, a temperatura ambiente e pressione atmosferica.

"Non siamo i primi a realizzare accoppiamenti ultra resistenti. Ma in generale, forti campi magnetici, per ottenere un tale grado di accoppiamento sono necessari un vuoto spinto e temperature estremamente basse. Quando puoi eseguirlo in un normale laboratorio, consente a più ricercatori di lavorare in questo campo e fornisce preziose conoscenze nella terra di confine tra nanotecnologia e ottica quantistica, "dice Denis Baranov, ricercatore presso la Chalmers University of Technology e primo autore dell'articolo scientifico.

Un duetto unico dove luce e materia si fondono in un oggetto comune

Per comprendere il sistema che gli autori hanno realizzato, si può immaginare un risonatore, in questo caso rappresentato da due specchi d'oro separati da poche centinaia di nanometri, come un unico tono nella musica. Le nanobarre fabbricate tra gli specchi influenzano il modo in cui la luce si muove tra gli specchi e cambiano la loro frequenza di risonanza. Invece di suonare come un singolo tono, nel sistema accoppiato, il tono si divide in due:un tono più basso e un tono più alto.

La separazione energetica tra i due nuovi tiri rappresenta la forza dell'interazione. Nello specifico, nel caso di accoppiamento ultra-forte, la forza dell'interazione è così grande che diventa paragonabile alla frequenza del risonatore originale. Questo porta a un duetto unico in cui luce e materia si mescolano in un oggetto comune, formando quasi-particelle chiamate polaritoni. Il carattere ibrido dei polaritoni fornisce una serie di proprietà ottiche ed elettroniche intriganti.

Il numero di nanotubi d'oro racchiusi tra gli specchi controlla quanto sia forte l'interazione. Ma allo stesso tempo, controlla la cosiddetta energia di punto zero del sistema. Aumentando o diminuendo il numero di canne, è possibile fornire o rimuovere energia dallo stato fondamentale del sistema e quindi aumentare o diminuire l'energia immagazzinata nella scatola del risonatore.

La scoperta permette ai ricercatori di giocare con le leggi della natura

In particolare, gli autori hanno misurato indirettamente come il numero di nanobarre modifica l'energia del vuoto "ascoltando" i toni del sistema accoppiato, ovvero, guardando gli spettri di trasmissione della luce attraverso gli specchi con le nanobarre e facendo semplici calcoli matematici. I valori risultanti sono risultati paragonabili all'energia termica, che possono portare a fenomeni osservabili in futuro.

"Un concetto per creare un accoppiamento ultra forte controllabile a temperatura ambiente in sistemi relativamente semplici può offrire un banco di prova per la fisica fondamentale. Il fatto che questo accoppiamento ultra forte "costi" energia potrebbe portare a effetti osservabili, ad esempio, potrebbe modificare la reattività delle sostanze chimiche o adattare le interazioni di van der Waals. L'accoppiamento ultraresistente consente una varietà di intriganti fenomeni fisici, "dice Timur Shegai, Professore Associato a Chalmers e ultimo autore dell'articolo scientifico.

In altre parole, questa scoperta permette ai ricercatori di giocare con le leggi della natura e di testare i limiti dell'accoppiamento.

"Poiché l'argomento è abbastanza fondamentale, le potenziali applicazioni possono variare. Il nostro sistema permette di raggiungere livelli di accoppiamento ancora più elevati, qualcosa noto come accoppiamento forte e profondo. Non siamo ancora del tutto sicuri di quale sia il limite di accoppiamento nel nostro sistema, ma è chiaramente molto più alto di quello che vediamo ora. È importante sottolineare che la piattaforma che consente di studiare l'accoppiamento ultra forte è ora accessibile a temperatura ambiente, "dice Timur Shegai.