Un chip ottico con accumulo di luce a forma di anello, chiamato risonatore a microring, e un accoppiamento in fibra ottica. Il chip è largo solo tre millimetri e il risuonatore ad anello sulla punta ha un raggio di 0,114 millimetri. Credito:Armin Feist / Istituto Max Planck per le scienze multidisciplinari
Computer più veloci, comunicazioni a prova di tocco, sensori per auto migliori:le tecnologie quantistiche hanno il potenziale per rivoluzionare le nostre vite proprio come l'invenzione dei computer o di Internet ha fatto una volta. Esperti in tutto il mondo stanno cercando di implementare i risultati della ricerca di base nelle tecnologie quantistiche. A tal fine, spesso richiedono singole particelle, come i fotoni, le particelle elementari di luce, con proprietà personalizzate.
Tuttavia, ottenere singole particelle è complicato e richiede metodi complessi. In uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Scienza , i ricercatori presentano ora un nuovo metodo che genera simultaneamente due singole particelle in forma di coppia.
Fisica quantistica fondamentale nei microscopi elettronici
Il team internazionale del Göttingen Max Planck Institute (MPI) for Multidisciplinary Sciences, dell'Università di Gottinga e del Politecnico federale di Losanna (EPFL) è riuscito ad accoppiare singoli elettroni liberi e fotoni in un microscopio elettronico. Nell'esperimento di Göttingen, il raggio di un microscopio elettronico passa attraverso un chip ottico integrato, fabbricato dal team svizzero. Il chip è costituito da un accoppiamento in fibra ottica e da un risonatore a forma di anello che immagazzina la luce mantenendo i fotoni in movimento su un percorso circolare.
"Quando un elettrone si disperde sul risuonatore inizialmente vuoto, viene generato un fotone", spiega Armin Feist, scienziato dell'MPI e uno dei primi autori dello studio. "Nel processo, l'elettrone perde esattamente la quantità di energia che il fotone richiede per essere creato praticamente dal nulla nel risonatore. Di conseguenza, le due particelle sono accoppiate attraverso la loro interazione e formano una coppia". Con un metodo di misurazione migliorato, i fisici potrebbero rilevare con precisione le singole particelle coinvolte e la loro manifestazione simultanea.
Futura tecnologia quantistica con elettroni liberi
"Con la coppia elettrone-fotone, abbiamo solo bisogno di misurare una particella per ottenere informazioni sul contenuto energetico e sull'aspetto temporale della seconda", afferma Germaine Arend, Ph.D. candidato al MPI e anche primo autore dello studio. Ciò consente ai ricercatori di utilizzare una particella quantistica in un esperimento e, allo stesso tempo, di confermarne la presenza rilevando l'altra particella, in un cosiddetto schema di araldo. Tale caratteristica è necessaria per molte applicazioni nella tecnologia quantistica.
Il direttore di Max Planck, Claus Ropers, vede le coppie elettrone-fotone come una nuova opportunità per la ricerca quantistica. "Il metodo apre nuove affascinanti possibilità nella microscopia elettronica. Nel campo dell'ottica quantistica, le coppie di fotoni entangled migliorano già l'imaging. Con il nostro lavoro, tali concetti possono ora essere esplorati con gli elettroni", afferma Roper.
Tobias Kippenberg, professore all'EPFL, aggiunge:"Per la prima volta, portiamo elettroni liberi nella cassetta degli attrezzi della scienza dell'informazione quantistica. Più in generale, l'accoppiamento di elettroni liberi e luce utilizzando la fotonica integrata potrebbe aprire la strada a una nuova classe di tecnologie quantistiche ibride ." + Esplora ulteriormente
