I fisici dell'EPFL hanno trovato per la prima volta un modo per far interagire i fotoni con coppie di atomi. La svolta è importante per il campo dell'elettrodinamica quantistica delle cavità (QED), un campo all'avanguardia che apre la strada alle tecnologie quantistiche.

Non c'è dubbio che ci stiamo muovendo costantemente verso un'era di tecnologie basate sulla fisica quantistica. Ma per arrivarci, dobbiamo prima padroneggiare la capacità di far interagire la luce con la materia o, più tecnicamente, fotoni con atomi.

Questo è già stato raggiunto in una certa misura, fornendoci il campo all'avanguardia dell'elettrodinamica quantistica delle cavità (QED), che è già utilizzato nelle reti quantistiche e nell'elaborazione delle informazioni quantistiche. Ciò nonostante, c'è ancora molta strada da fare. Le attuali interazioni luce-materia sono limitate ai singoli atomi, il che limita la nostra capacità di studiarli nel tipo di sistemi complessi coinvolti nelle tecnologie quantistiche.

In un articolo pubblicato su Natura , i ricercatori del gruppo di Jean-Philippe Brantut della School of Basic Sciences dell'EPFL hanno trovato un modo per far "mischiare" i fotoni con coppie di atomi a temperature ultra basse.

I ricercatori hanno utilizzato il cosiddetto gas di Fermi, uno stato della materia fatto di atomi che assomiglia a quello degli elettroni nei materiali. "In assenza di fotoni, il gas può essere preparato in uno stato in cui gli atomi interagiscono fortemente tra loro, formare coppie allentate, " spiega Brantut. "Mentre la luce viene inviata sul gas, alcune di queste coppie possono essere trasformate in molecole legate chimicamente assorbendole con fotoni".

Un concetto chiave in questo nuovo effetto è che avvenga "coerentemente, " il che significa che il fotone può essere assorbito per trasformare una coppia di atomi in una molecola, poi emesso indietro, poi riassorbito più volte. "Ciò implica che il sistema coppia-fotone forma un nuovo tipo di 'particella', tecnicamente un'eccitazione, che chiamiamo 'coppia-polaritone, '", dice Brantut. "Questo è reso possibile nel nostro sistema, dove i fotoni sono confinati in una "cavità ottica", una scatola chiusa che li costringe a interagire fortemente con gli atomi".

Le coppie ibride-polaritoni assumono alcune delle proprietà dei fotoni, il che significa che possono essere misurati con metodi ottici. Assumono anche alcune delle proprietà del gas di Fermi, come il numero di coppie di atomi che aveva originariamente prima dei fotoni in arrivo.

"Alcune delle proprietà molto complesse del gas sono tradotte in proprietà ottiche, che può essere misurato in modo diretto, e anche senza perturbare il sistema, " dice Brantut. "Un'applicazione futura sarebbe nella chimica quantistica, poiché dimostriamo che alcune reazioni chimiche possono essere prodotte coerentemente utilizzando singoli fotoni".