In una nuova ricerca pionieristica, un team internazionale di ricercatori guidati dall'Università del Minnesota Twin Cities ha sviluppato un processo unico per produrre uno stato quantico che è in parte luce e in parte materia.

La scoperta fornisce nuove informazioni fondamentali per sviluppare in modo più efficiente la prossima generazione di dispositivi ottici ed elettronici basati sulla quantistica. La ricerca potrebbe anche avere un impatto sull'aumento dell'efficienza delle reazioni chimiche su nanoscala.

La ricerca è pubblicata su Fotonica della natura .

La scienza quantistica studia i fenomeni naturali della luce e della materia alle scale più piccole. In questo studio, i ricercatori hanno sviluppato un processo unico in cui hanno ottenuto "l'accoppiamento ultraforte" tra la luce infrarossa (fotoni) e la materia (vibrazioni atomiche) intrappolando la luce in minuscoli, fori anulari in un sottile strato d'oro. Questi fori erano piccoli come due nanometri, o circa 25, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano.

Queste nanocavità, simile a una versione molto ridotta dei cavi coassiali utilizzati per inviare segnali elettrici (come il cavo che entra nella TV), sono stati riempiti di biossido di silicio, che è essenzialmente lo stesso del vetro della finestra. Metodi di fabbricazione unici, basato su tecniche sviluppate nell'industria dei chip per computer, consentono di produrre milioni di queste cavità contemporaneamente, con tutti loro che esibiscono simultaneamente questo accoppiamento ultraforte fotone-vibrazione.

"Altri hanno studiato il forte accoppiamento di luce e materia, ma con questo nuovo processo per progettare una versione nanometrica di cavi coassiali, stiamo spingendo le frontiere dell'accoppiamento ultraforte, il che significa che stiamo scoprendo nuovi stati quantistici in cui la materia e la luce possono avere proprietà molto diverse e iniziano ad accadere cose insolite, " ha detto Sang-Hyun Oh, un professore di ingegneria elettrica e informatica dell'Università del Minnesota e autore senior dello studio. "Questo accoppiamento ultraforte di vibrazioni luminose e atomiche apre tutti i tipi di possibilità per lo sviluppo di nuovi dispositivi basati sulla quantistica o la modifica di reazioni chimiche".

L'interazione tra luce e materia è fondamentale per la vita sulla terra:consente alle piante di convertire la luce solare in energia e ci permette di vedere gli oggetti intorno a noi. Luce infrarossa, con lunghezze d'onda molto più lunghe di quanto possiamo vedere con i nostri occhi, interagisce con le vibrazioni degli atomi nei materiali. Per esempio, quando un oggetto viene riscaldato, gli atomi che compongono l'oggetto iniziano a vibrare più velocemente, emettendo più radiazioni infrarosse, abilitazione di termocamere o telecamere per la visione notturna.

Al contrario, le lunghezze d'onda della radiazione infrarossa che vengono assorbite dai materiali dipendono dal tipo di atomi che compongono i materiali e da come sono disposti, in modo che i chimici possano utilizzare l'assorbimento a infrarossi come "impronta digitale" per identificare diverse sostanze chimiche.

Queste e altre applicazioni possono essere migliorate aumentando la forza con cui la luce infrarossa interagisce con le vibrazioni atomiche nei materiali. Questo, a sua volta, può essere ottenuto intrappolando la luce in un piccolo volume che contiene i materiali. Intrappolare la luce può essere semplice come farla riflettere avanti e indietro tra un paio di specchi, ma interazioni molto più forti possono essere realizzate se strutture metalliche su scala nanometrica, o 'nanocavità, ' sono usati per confinare la luce su scale di lunghezza ultra-piccola.

Quando questo accade, le interazioni possono essere abbastanza forti da far entrare in gioco la natura quantomeccanica della luce e delle vibrazioni. In tali condizioni, l'energia assorbita viene trasferita avanti e indietro tra la luce (fotoni) nelle nanocavità e le vibrazioni atomiche (fononi) nel materiale ad una velocità sufficientemente elevata da non poter più distinguere il fotone di luce dal fonone di materia. In tali condizioni, queste modalità fortemente accoppiate danno luogo a nuovi oggetti quantomeccanici che sono in parte luce e in parte vibrazione allo stesso tempo, noti come polaritoni.

Più forte diventa l'interazione, più strano gli effetti quantomeccanici che possono verificarsi. Se l'interazione diventa abbastanza forte, potrebbe essere possibile creare fotoni dal vuoto, o per far procedere le reazioni chimiche in modi altrimenti impossibili.

"È affascinante che, in questo regime di accoppiamento, il vuoto non è vuoto. Anziché, contiene fotoni con lunghezze d'onda determinate dalle vibrazioni molecolari. Inoltre, questi fotoni sono estremamente confinati e sono condivisi da un minuscolo numero di molecole, " ha affermato il professor Luis Martin-Moreno dell'Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) in Spagna, un altro autore del saggio.

"Normalmente, pensiamo al vuoto come praticamente niente, ma si scopre che questa fluttuazione nel vuoto esiste sempre, " Oh ha detto. "Questo è un passo importante per sfruttare effettivamente questa cosiddetta fluttuazione di energia zero per fare qualcosa di utile".