Gli scienziati dell'Università di Bath nel Regno Unito hanno trovato un modo per legare insieme due fotoni di colori diversi, aprendo la strada a importanti progressi nell'elettrodinamica quantistica, il campo della scienza che descrive il modo in cui la luce e la materia interagiscono. In tempo, i risultati del team potrebbero avere un impatto sugli sviluppi nella comunicazione ottica e quantistica, e misurazioni di precisione della frequenza, tempo e distanze.

Mela e onda:entrambe hanno una massa

Una mela che cade da un albero ha velocità e massa, che insieme gli danno slancio. L'"energia della mela" derivata dal movimento dipende dalla quantità di moto e dalla massa del frutto.

La maggior parte delle persone trova il concetto di quantità di moto ed energia (e quindi massa) facile da afferrare quando è associato a oggetti solidi. Ma l'idea che gli oggetti immateriali, come le onde luminose (tutto, dalla luce solare alle radiazioni laser), anche avere una massa è sorprendente per molti. Tra i fisici, però, è un fatto ben noto. Questa idea apparentemente paradossale che le onde abbiano una massa segna il luogo in cui la fisica quantistica e il mondo fisico si incontrano.

La dualità onda-particella, proposto dal fisico francese Louis de Broglie nel 1924, è un concetto potente che descrive come ogni particella o entità quantistica può essere descritta come una particella o un'onda. Sono state scoperte molte cosiddette quasiparticelle che combinano due diversi tipi di particelle di materia, o onde luminose legate a una particella di materia. Un elenco di quasiparticelle esotiche include fononi, plasmoni, magnoni e polaritoni.

Il team di fisici di Bath ha ora segnalato un modo per creare quasiparticelle che legano insieme due particelle di luce di colore diverso. Hanno chiamato queste formazioni polaritoni fotone-fotone.

Rilevamento dei polaritoni fotone-fotone

L'opportunità di scoprire, e manipolare, fotone-fotoni è possibile grazie allo sviluppo relativamente nuovo di microrisonatori di alta qualità. Per la luce, i microrisonatori fungono da piste in miniatura, con fotoni che sfrecciano intorno alla struttura interna in loop. La firma lasciata dai fotoni-fotoni nella luce che esce dal microrisonatore può essere collegata all'effetto Autler-Townes, un fenomeno peculiare nella teoria quantistica che descrive forti interazioni fotone-atomo. Per ottenere questo effetto nei microrisonatori, un laser è sintonizzato sulla frequenza di risonanza specifica in cui si prevede che un fotone venga assorbito, tuttavia non si verifica alcun assorbimento di risonanza. Anziché, l'interazione fotone-fotone crea due nuove frequenze di risonanza lontane dalla vecchia.

Una caratteristica significativa emersa dalla ricerca di Bath è che il microrisonatore ha fornito un intero set di risonanze separate, dove ogni coppia fotone-fotone ha mostrato il proprio momento ed energia, consentendo ai ricercatori di applicare il concetto di quasiparticella e calcolare la massa. Secondo le previsioni dei ricercatori, fotone-fotoni sono 1, 000+ volte più leggero degli elettroni.

Professor Dmitry Skryabin, il fisico che ha guidato la ricerca, ha dichiarato:"Ora abbiamo una situazione in cui i microrisonatori, che sono oggetti di scala millimetrica, si comportano come atomi giganti. Il concetto di atomi artificiali sta rapidamente guadagnando terreno nell'elettrodinamica quantistica delle microonde nei circuiti superconduttori, mentre qui stiamo esaminando l'opportunità simile nella gamma ottica delle frequenze.

"La piccola massa di fotoni-fotoni potrebbe portare a ulteriori sviluppi di molte importanti analogie tra luce e fluidi, dove sono già state utilizzate altre famiglie di quasiparticelle."

dottorato di ricerca studente Vlad Pankratov, che hanno partecipato al progetto, ha dichiarato:"Dopo un anno di esecuzione di modelli e raccolta di dati, queste sono scoperte incredibilmente eccitanti per noi. Le potenziali applicazioni dei nostri risultati sono nei terabit e negli schemi di comunicazione ottica quantistica, e nel campo delle misurazioni di precisione."

Il documento "Fotone-fotone polaritoni in χ(2) microrisonatori" è pubblicato in Ricerca sulla revisione fisica .