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L'entanglement è uno strano fenomeno nella fisica quantistica in cui due particelle sono intrinsecamente connesse l'una all'altra, indipendentemente dalla distanza tra loro. Quando uno viene misurato, l'altra misura è istantaneamente data. I ricercatori della Purdue University hanno proposto un approccio nuovo e non convenzionale per generare una sorgente di luce speciale composta da fotoni entangled. Il 6 settembre 2022 hanno pubblicato i loro risultati in Physical Review Research .
Il team ha proposto un metodo per generare fotoni entangled a lunghezze d'onda dei raggi ultravioletti estremi (XUV) dove attualmente non esiste tale sorgente. Il loro lavoro fornisce una road map su come generare questi fotoni entangled e usarli per tracciare la dinamica degli elettroni nelle molecole e nei materiali su scale temporali incredibilmente brevi di attosecondi.
"È garantito che i fotoni entangled nel nostro lavoro arrivino in un determinato luogo entro una brevissima durata di attosecondi, purché percorrano la stessa distanza", afferma il dottor Niranjan Shivaram, assistente professore di Fisica e Astronomia. "Questa correlazione nel loro tempo di arrivo li rende molto utili per misurare eventi ultraveloci. Un'applicazione importante è nella metrologia ad attosecondi per spingere i limiti della misurazione dei fenomeni su scala temporale più breve. Questa sorgente di fotoni entangled può essere utilizzata anche nell'imaging quantistico e nella spettroscopia , dove è stato dimostrato che i fotoni entangled migliorano la capacità di ottenere informazioni, ma ora a lunghezze d'onda XUV e persino dei raggi X."
Gli autori della pubblicazione, intitolata "Attosecond entangled photons from two-photon decay of metastable atomis:A source for attosecond experiments and beyond", provengono tutti dal Dipartimento di Fisica e Astronomia della Purdue University e lavorano con il Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Sono il dottor Yimeng Wang, neolaureato della Purdue University; Siddant Pandey, Ph.D. candidato nel campo della spettroscopia sperimentale ultraveloce; il dottor Chris H. Greene, illustre professore di fisica e astronomia di Albert Overhauser; e il dottor Shivaram.
"Il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Purdue ha un forte programma di fisica atomica, molecolare e ottica (AMO), che riunisce esperti in vari sottocampi dell'AMO", afferma Shivaram. "La conoscenza esperta di Chris Greene della fisica atomica teorica, combinata con il background di Niranjan nel campo relativamente giovane della scienza sperimentale degli attosecondi, ha portato a questo progetto collaborativo. Mentre molte università hanno programmi AMO, il programma AMO di Purdue è straordinariamente diversificato in quanto ha esperti in più sottocampi di Scienza AMO."
Ogni ricercatore ha svolto un ruolo significativo in questa ricerca in corso. Greene inizialmente suggerì l'idea di utilizzare i fotoni emessi dagli atomi di elio come fonte di fotoni entangled e Shivaram suggerì applicazioni alla scienza degli attosecondi e propose schemi sperimentali. Wang e Greene hanno quindi sviluppato il quadro teorico per calcolare l'emissione di fotoni entangled dagli atomi di elio, mentre Pandey e Shivaram hanno effettuato stime dei tassi di emissione/assorbimento di fotoni entangled e hanno elaborato i dettagli degli schemi sperimentali ad attosecondi proposti.
La pubblicazione segna l'inizio di questa ricerca per Shivaram e Greene. In questa pubblicazione, gli autori propongono l'idea ed elaborano gli aspetti teorici dell'esperimento. Shivaram e Greene intendono continuare a collaborare su idee sperimentali e ulteriori teoriche. Il laboratorio di Shivaram, l'Ultrafast Quantum Dynamics Group, sta attualmente costruendo un apparato per dimostrare sperimentalmente alcune di queste idee. Secondo Shivaram, la speranza è che altri ricercatori della scienza ad attosecondi inizino a lavorare su queste idee. Uno sforzo concertato da parte di molti gruppi di ricerca potrebbe aumentare ulteriormente l'impatto di questo lavoro. Alla fine, sperano di ridurre la scala temporale dei fotoni entangled allo zeptosecondo, 10 -21 secondi.
"In genere, gli esperimenti su scale temporali di attosecondi vengono eseguiti utilizzando impulsi laser ad attosecondi come 'strobo' per 'immagini' gli elettroni. I limiti di corrente su questi impulsi sono di circa 40 attosecondi. La nostra idea proposta di utilizzare fotoni entangled potrebbe ridurlo a pochi attosecondi o zeptosecondi", afferma Shivaram.
Per capire i tempi, bisogna capire che gli elettroni giocano un ruolo fondamentale nel determinare il comportamento di atomi, molecole e materiali solidi. La scala temporale del movimento degli elettroni è tipicamente nel femtosecondo (un milionesimo di miliardesimo di secondo—10 -15 secondi) e attosecondo (un miliardesimo di miliardesimo di secondo, ovvero 10 -18 secondi) scala. Secondo Shivaram, è essenziale acquisire informazioni sulla dinamica degli elettroni e seguire il loro movimento su queste scale temporali ultra brevi.
"L'obiettivo del campo della scienza ultraveloce è quello di realizzare tali 'film' di elettroni e quindi utilizzare la luce per controllare il comportamento di questi elettroni per progettare reazioni chimiche, creare materiali con nuove proprietà, realizzare dispositivi su scala molecolare, ecc." lui dice. "Questa è l'interazione luce-materia al suo livello più elementare e le possibilità di scoperta sono molte. Un singolo zeptosecondo è 10 -21 secondi. Mille zeptosecondi sono un attosecondo. I ricercatori stanno iniziando solo ora a esplorare il fenomeno degli zeptosecondi, sebbene sia sperimentalmente fuori portata a causa della mancanza di impulsi laser a zeptosecondi. Il nostro approccio unico all'utilizzo di fotoni entangled invece di fotoni negli impulsi laser potrebbe consentirci di raggiungere il regime di zeptosecondi. Ciò richiederà un notevole sforzo sperimentale ed è probabilmente possibile nell'arco di cinque anni." + Esplora ulteriormente
