Un team di scienziati dell'Istituto Max Planck per la scienza della luce, guidato dalla dottoressa Birgit Stiller, è riuscito a raffreddare le onde sonore viaggianti nelle guide d'onda molto più di quanto fosse possibile in precedenza utilizzando la luce laser. Questo risultato rappresenta un passo significativo verso l'obiettivo finale di raggiungere lo stato fondamentale quantistico del suono nelle guide d'onda.
È possibile eliminare il rumore indesiderato generato dalle onde acustiche a temperatura ambiente. Questo approccio sperimentale fornisce una comprensione più profonda della transizione dai fenomeni del suono classici a quelli quantistici ed è rilevante per i sistemi di comunicazione quantistica e le future tecnologie quantistiche.
Lo stato fondamentale quantistico di un'onda acustica di una certa frequenza può essere raggiunto raffreddando completamente il sistema. In questo modo, il numero di particelle quantistiche, i cosiddetti fononi acustici, che causano disturbi alle misurazioni quantistiche, può essere ridotto quasi a zero e colmato il divario tra la meccanica classica e quella quantistica.
Negli ultimi dieci anni sono stati compiuti importanti progressi tecnologici che hanno reso possibile portare vari sistemi in questo stato. Le vibrazioni meccaniche che oscillano tra due specchi in un risonatore possono essere raffreddate a temperature molto basse fino allo stato fondamentale quantistico. Ciò non è ancora stato possibile per le fibre ottiche in cui possono propagarsi le onde sonore ad alta frequenza. Ora, i ricercatori dello Stiller Research Group hanno fatto un passo avanti verso questo obiettivo.
Nel loro studio, recentemente pubblicato su Physical Review Letters , riferiscono di essere riusciti ad abbassare la temperatura di un'onda sonora in una fibra ottica inizialmente a temperatura ambiente di 219 K utilizzando il raffreddamento laser, dieci volte di più di quanto precedentemente riportato. Alla fine, il numero fonico iniziale è stato ridotto del 75% a una temperatura di 74 K, -199 gradi Celsius.
Una riduzione così drastica della temperatura è stata resa possibile dall’uso della luce laser. Il raffreddamento delle onde sonore che si propagano è stato ottenuto tramite l'effetto ottico non lineare dello scattering Brillouin stimolato, in cui le onde luminose sono accoppiate in modo efficiente alle onde sonore.
Attraverso questo effetto, la luce laser raffredda le vibrazioni acustiche e crea un ambiente con meno rumore termico, che in una certa misura è, ad esempio, un rumore "disturbante" per un sistema di comunicazione quantistica. "Un vantaggio interessante delle fibre di vetro, oltre a questa forte interazione, è il fatto che possono condurre in modo eccellente la luce e il suono su lunghe distanze", afferma Laura Blázquez Martínez, una delle autrici principali dell'articolo e dottoranda presso Gruppo di ricerca Stiller.
La maggior parte delle piattaforme fisiche precedentemente portate allo stato fondamentale quantistico erano microscopiche. Tuttavia, in questo esperimento, la lunghezza della fibra ottica era di 50 cm e un'onda sonora che si estendeva su tutti i 50 cm del nucleo della fibra veniva raffreddata a temperature estremamente basse.
"Questi risultati rappresentano un passo molto entusiasmante verso lo stato fondamentale quantistico nelle guide d'onda, e la manipolazione di fononi acustici così lunghi apre possibilità per applicazioni a banda larga nella tecnologia quantistica", secondo la dott.ssa Birgit Stiller, capo del gruppo di optoacustica quantistica.
Il suono, nel mondo classico quotidiano, può essere inteso come un'onda di densità in un mezzo. Tuttavia, dal punto di vista della meccanica quantistica, il suono può essere descritto anche come una particella:il fonone. Questa particella, il quanto del suono, rappresenta la più piccola quantità di energia che si presenta come un'onda acustica ad una certa frequenza. Per vedere e studiare un singolo quanto di suono, il numero di fononi deve essere ridotto al minimo.
La transizione dal comportamento classico a quello quantistico del suono è spesso più facilmente osservabile nello stato fondamentale quantistico, dove il numero di fononi è in media vicino allo zero, in modo tale che le vibrazioni sono quasi congelate e gli effetti quantistici possono essere misurati.
Stiller afferma:"Questo apre le porte a un nuovo panorama di esperimenti che ci permettono di ottenere informazioni più profonde sulla natura fondamentale della materia". Il vantaggio di utilizzare un sistema a guida d'onda è che la luce e il suono non sono legati tra due specchi ma si propagano lungo la guida d'onda. Le onde acustiche esistono come un continuum, non solo per frequenze specifiche, e possono avere un'ampia larghezza di banda, il che le rende promettenti per applicazioni come i sistemi di comunicazione ad alta velocità.
"Siamo molto entusiasti delle nuove conoscenze che porteranno queste fibre allo stato fondamentale quantistico", sottolinea il leader del gruppo di ricerca. "Non solo dal punto di vista della ricerca fondamentale, che ci consente di sbirciare nella natura quantistica degli oggetti estesi, ma anche per le applicazioni che ciò potrebbe avere negli schemi di comunicazione quantistica e nelle future tecnologie quantistiche."
Ulteriori informazioni: Laura Blázquez Martínez et al, Raffreddamento optoacustico delle onde ipersoniche viaggianti, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.023603
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dall'Istituto Max Planck per la Scienza della Luce
