Circa 10 anni fa, ricercatori dell'Università di Bonn hanno prodotto uno stato di fotoni aggregato estremo, un singolo "super-fotone" composto da molte migliaia di singole particelle di luce, e ha presentato una fonte di luce completamente nuova. Lo stato è chiamato un condensato ottico di Bose-Einstein e da allora ha affascinato molti fisici, perché questo mondo esotico di particelle di luce ospita i suoi fenomeni fisici. Ricercatori guidati dal Prof. Dr. Martin Weitz, che ha scoperto il super fotone, e il fisico teorico Prof. Dr. Johann Kroha riportano ora una nuova osservazione:una cosiddetta fase sovrasmorzata, una transizione di fase precedentemente sconosciuta all'interno del condensato ottico di Bose-Einstein. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Scienza .

Il condensato di Bose-Einstein è uno stato fisico estremo che di solito si verifica solo a temperature molto basse. Le particelle in questo sistema non sono più distinguibili e sono prevalentemente nello stesso stato quantomeccanico; in altre parole, si comportano come una singola "superparticella" gigante. Lo stato può quindi essere descritto da una singola funzione d'onda.

Nel 2010, i ricercatori guidati da Martin Weitz sono riusciti per la prima volta a creare un condensato di Bose-Einstein da particelle di luce (fotoni). Il loro sistema speciale è ancora in uso oggi:i fisici intrappolano le particelle di luce in un risonatore costituito da due specchi curvi distanziati di poco più di un micrometro l'uno dall'altro che riflettono un raggio di luce che si alterna rapidamente. Lo spazio è riempito con una soluzione di colorante liquido, che serve a raffreddare i fotoni. Le molecole di colorante "inghiottono" i fotoni e poi li sputano di nuovo, che porta le particelle luminose alla temperatura della soluzione colorante, equivalente alla temperatura ambiente. Il sistema permette di raffreddare le particelle leggere perché la loro caratteristica naturale è quella di dissolversi una volta raffreddate.

Chiara separazione di due fasi

Una transizione di fase è ciò che i fisici chiamano la transizione tra acqua e ghiaccio durante il congelamento. Ma come avviene la particolare transizione di fase all'interno del sistema di particelle di luce intrappolate? Gli scienziati lo spiegano in questo modo:gli specchi un po' traslucidi fanno sì che i fotoni vengano persi e sostituiti, creando un disequilibrio che fa sì che il sistema non assuma una temperatura definita e venga messo in oscillazione. Questo crea una transizione tra questa fase oscillante e una fase smorzata. Smorzato significa che l'ampiezza della vibrazione diminuisce.

"La fase sovrasmorzata che abbiamo osservato corrisponde a un nuovo stato del campo luminoso, per così dire, ", afferma l'autore principale Fahri Emre Öztürk, uno studente di dottorato presso l'Istituto di Fisica Applicata dell'Università di Bonn. La particolarità è che l'effetto del laser di solito non è separato da quello del condensato di Bose-Einstein da una transizione di fase, e non esiste un confine nettamente definito tra i due stati. Ciò significa che i fisici possono spostarsi continuamente avanti e indietro tra gli effetti.

"Però, nel nostro esperimento, lo stato sovrasmorzato del condensato ottico di Bose-Einstein è separato da una transizione di fase sia dallo stato oscillante che da un laser standard, " dice il capo dello studio, il prof. Dr. Martin Weitz. "Questo dimostra che c'è un condensato di Bose-Einstein, che è davvero uno stato diverso rispetto al laser standard. "In altre parole, si tratta di due fasi separate del condensato ottico di Bose-Einstein, " lui dice.

I ricercatori intendono utilizzare le loro scoperte come base per ulteriori studi alla ricerca di nuovi stati del campo luminoso in più condensati di luce accoppiati, che può verificarsi anche nel sistema. "Se in condensati di luce accoppiati si verificano stati entangled quantistici adeguati, questo può essere interessante per la trasmissione di messaggi crittografati quantistica tra più partecipanti, " dice Fahri Emre Öztürk.