Gli scienziati del Dipartimento di Fisica e del Centro di nanoscopia ultraveloce (RUN) dell'Università di Ratisbona sono stati in grado di osservare direttamente una versione quantistica della scintilla di Hertz che salta tra due soli atomi misurando l'oscillogramma della luce che emette con intervallo temporale precisione più veloce di un singolo ciclo di oscillazione dell'onda luminosa.

Questo nuovo segnale ha consentito di raggiungere un obiettivo a lungo ricercato:la risoluzione spaziale atomica nella microscopia completamente ottica. Essendo un canale di comunicazione senza precedenti con il mondo quantistico, questo segnale potrebbe essere cruciale per lo sviluppo di tecnologie quantistiche superveloci poiché fornisce nuove informazioni sui processi che avvengono su scale di lunghezza di singoli atomi e scale temporali più veloci di un trilionesimo di secondo.

Il team di fisici ha utilizzato una punta atomicamente affilata per focalizzare la luce nel piccolo spazio tra l'apice della punta e una superficie del campione chiamata regione del campo vicino:questa volta lo spazio è stato mantenuto largo solo pochi atomi con precisione subatomica.

Nella fisica classica, dove gli elettroni sono immaginati come minuscole particelle cariche, gli elettroni non possono penetrare questo spazio vuoto. Tuttavia, la vicinanza punta atomica-campione rivela la seconda natura delle particelle nella meccanica quantistica:il loro comportamento ondulatorio. La maggior parte dell'onda elettronica si troverà nella punta, ma una piccola frazione risiederà anche attraverso lo spazio all'interno del campione, come se una persona si trovasse contemporaneamente su entrambi i lati di una porta.

Questa controintuitiva dualità onda-particella quantistica si manifesta in una corrente di elettroni misurabile sperimentalmente che attraversa il minuscolo spazio. Eppure ora questo processo è guidato in modo estremamente rapido utilizzando le onde luminose, i campi elettrici alternati più veloci che i fisici possono controllare. Il campo elettrico oscillante della luce spinge gli elettroni tunnel avanti e indietro tra l'atomo di frontiera della punta e il campione, guidando quindi la versione quantistica della scintilla di Hertz.

"Rilevare l'emissione hertziana da una manciata di elettroni per ciclo di oscillazione della luce all'inizio sembrava una missione impossibile", afferma il primo autore, Tom Siday. "Immaginate la nostra sorpresa quando abbiamo scoperto un segnale forte, tutto grazie alla punta ultrastabile che agisce come un'antenna che trasmette quest'onda su scala atomica."

Gli autori hanno chiamato questa nuova tecnica microscopia a "emissione di tunneling ottico in campo vicino" (NOTA). Queste scoperte aprono la porta all’osservazione diretta delle onde di materia che rotolano su scale di lunghezza atomiche al rallentatore. I risultati sono pubblicati su Nature .

Questa scoperta rivoluzionaria è diventata possibile grazie a un esclusivo microscopio ottico ultraveloce che combina l'estrema risoluzione spaziale di un microscopio con sonda a scansione all'avanguardia con la misurazione del segnale completamente ottica ("luce dentro, luce fuori").

"L'elettronica è straordinariamente sensibile ma troppo lenta per seguire direttamente le oscillazioni attuali nella scintilla quantistica guidata dalle onde luminose, quindi bisogna guardare all'interno delle oscillazioni della luce emessa stessa", spiega l'autore senior Rupert Huber.

"NOTE è nata quando abbiamo osservato che le onde luminose in entrata e in uscita erano spostate nel tempo di un quarto del periodo di oscillazione:solo un quarto di trilionesimo di secondo nel nostro esperimento! Dovevamo assicurarci che tutta la nostra configurazione ottica fosse sufficientemente stabile per rileviamo questo minuscolo spostamento e abbiamo il controllo assoluto del campo luminoso oscillante," continua uno degli autori principali, Johannes Hayes.

"La punta dell'antenna deve rimanere sopra lo stesso atomo, anche nel cuore dell'intenso fuoco di potenti impulsi laser, il tutto entro una distanza inferiore a un decimillesimo del diametro di un capello umano. Solo l'esperimento più stabile le condizioni sono abbastanza buone", conclude un altro autore principale, Felix Schiegl.

Decifrare questo segnale telegrafico quantistico è ancora impegnativo. Non è sufficiente considerare solo i due atomi tra i quali salta la scintilla quantistica, poiché la dinamica è fortemente influenzata dall'ambiente circostante. Per simulare dai principi primi la risposta quantistica di uno sconcertante 10 ¹⁰ atomi, Jan Wilhelm ha utilizzato un supercomputer per riprodurre lo spostamento temporale caratteristico del segnale NOTE e fornire le prime informazioni sul flusso quantistico di elettroni guidato dalle onde luminose e sulla distorsione degli orbitali atomici.

NOTE ha già consentito di scoprire nuova fisica. "Gli elettroni che passano dalla punta al campione e poi ritornano indietro sono quasi ipotetici:invisibili all'elettronica, ma non alla NOTA," spiega l'autore corrispondente Yaroslav Gerasimenko.

"Devono semplicemente rimanere sotto la punta finché il campo luminoso non cambia direzione per poter tornare." Osservando un isolante atomicamente sottile, un materiale che resiste alla diffusione degli elettroni, i fisici hanno avuto un primo assaggio di queste correnti di materia ultraveloci e ora possono esaminare le dinamiche su scala atomica precedentemente nascoste negli strati isolanti onnipresenti nell'elettronica e nel fotovoltaico.

Questi nuovi risultati rappresentano un progresso rivoluzionario nella microscopia ottica, portandola contemporaneamente alle scale di lunghezza e di tempo più avanzate. L'osservazione diretta delle correnti di tunneling ultraveloci potrebbe consentire una comprensione senza precedenti delle dinamiche elettroniche nei materiali quantistici e nelle piattaforme quantistiche per l'elaborazione e l'archiviazione dei dati.

NOTE apre inoltre le porte alla dinamica dei campi forti su scala atomica come l'elettronica delle onde luminose. La scoperta di questo canale di comunicazione con il mondo quantistico potrebbe, proprio come le scoperte di Hertz oltre 100 anni fa, innescare una rivoluzione nel trasferimento delle informazioni. Inoltre, potrebbe essere fondamentale per comprendere le dinamiche microscopiche che danno forma ai dispositivi di domani.