Gli atomi possono assorbire e riemettere luce:questo è un fenomeno quotidiano. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, un atomo emette una particella di luce in tutte le direzioni possibili:riconquistare questo fotone è quindi piuttosto difficile.
Un gruppo di ricerca della TU Wien di Vienna (Austria) è riuscito ora a dimostrare teoricamente che utilizzando una lente speciale è possibile garantire che un singolo fotone emesso da un atomo venga riassorbito da un secondo atomo. Questo secondo atomo però non solo assorbe il fotone, ma lo restituisce direttamente al primo atomo. In questo modo, gli atomi si scambiano ripetutamente il fotone con precisione millimetrica, proprio come nel ping-pong.
"Se un atomo emette un fotone da qualche parte nello spazio libero, la direzione di emissione è completamente casuale. Ciò rende praticamente impossibile che un altro atomo distante catturi nuovamente questo fotone", afferma il prof. Stefan Rotter dell'Istituto di fisica teorica della TU Vienna. "Il fotone si propaga come un'onda, il che significa che nessuno può dire esattamente in quale direzione viaggia. È quindi puro caso se la particella di luce viene riassorbita o meno da un secondo atomo."
La situazione è diversa se l'esperimento non viene effettuato in uno spazio libero ma in un ambiente chiuso. Qualcosa di simile è noto dalle cosiddette gallerie del sussurro in acustica:se due persone si posizionano in una stanza ellittica esattamente nei punti focali dell'ellisse, possono sentirsi perfettamente, anche quando sussurrano solo a bassa voce.
Le onde sonore vengono riflesse dalla parete ellittica in modo tale da incontrarsi di nuovo esattamente nel punto in cui si trova la seconda persona, che può quindi sentire perfettamente il sussurro silenzioso.
"In linea di principio, si potrebbe costruire qualcosa di simile per le onde luminose posizionando due atomi nei punti focali di un'ellisse", afferma Oliver Diekmann, il primo autore dell'attuale pubblicazione. "Ma in pratica i due atomi dovrebbero essere posizionati in modo molto preciso in questi punti focali."
Il gruppo di ricerca, quindi, ha elaborato una strategia migliore basata sul concetto della lente fish-eye, sviluppata da James Clerk Maxwell, il fondatore dell’elettrodinamica classica. La lente comprende un indice di rifrazione spazialmente variabile. Mentre la luce viaggia in linea retta in un mezzo uniforme come l'aria o l'acqua, i raggi luminosi vengono piegati in una lente fish-eye Maxwell.
"In questo modo è possibile garantire che tutti i raggi provenienti da un atomo raggiungano il bordo della lente su un percorso curvo, vengano successivamente riflessi e poi arrivino all'atomo bersaglio su un altro percorso curvo", spiega Oliver Diekmann. In questo caso, l'effetto funziona in modo molto più efficiente che in una semplice ellisse e le deviazioni dalle posizioni ideali degli atomi sono meno dannose.
"Il campo luminoso in questo obiettivo fish-eye Maxwell è costituito da molte modalità oscillatorie diverse. Ciò ricorda di suonare uno strumento musicale in cui vengono generate diverse armoniche contemporaneamente", afferma Stefan Rotter. "Siamo stati in grado di dimostrare che l'accoppiamento tra l'atomo e questi diversi modi di oscillazione può essere adattato in modo tale che il fotone venga trasferito da un atomo all'altro quasi certamente, in modo del tutto diverso da ciò che avverrebbe nello spazio libero ."
Una volta che l'atomo ha assorbito il fotone, viene lasciato in uno stato di energia superiore finché non riemette il fotone dopo un tempo molto breve. Quindi il gioco ricomincia:i due atomi si scambiano i ruoli e il fotone viene restituito dall'atomo ricevente all'atomo mittente originale e così via.
L'effetto è stato dimostrato teoricamente, ma con la tecnologia odierna sono possibili test pratici. "In pratica, l'efficienza potrebbe essere ulteriormente aumentata utilizzando non solo due atomi, ma due gruppi di atomi", afferma Stefan Rotter. "Il concetto potrebbe essere un punto di partenza interessante per i sistemi di controllo quantistico per studiare gli effetti di interazioni luce-materia estremamente forti."
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Physical Review Letters .
Ulteriori informazioni: Oliver Diekmann et al, Scambio di eccitazione ultraveloce in una lente Fish-Eye Maxwell, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.013602
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dall'Università della Tecnologia di Vienna
