Creata luce allo stato solido per studiare materiali inesistenti

Intrappolando i fotoni tramite un atomo artificiale, gli scienziati sono riusciti a trasformare la luce in groviglio liquido e poi solido. Foto © Princeton University, Engineering School.

La luce può sembrare qualcosa di misterioso – un qualcosa di ben visibile ma in un certo senso non appartenente ai tre stati classici della materia a cui siamo abituati. È possibile trasformare la luce in qualcosa di più familiare, come un liquido o addirittura un corpo solido? Gli scienziati di Princeton non vi risponderanno semplicemente di sì, vi diranno che l'hanno già fatto.

In uno studio apparso sulla rivista Physical Review X, un team di scienziati dell'Università di Princeton ha annunciato di aver bloccato singoli fotoni, facendoli assumere le sembianze di un corpo solido.
«È qualcosa che non abbiamo mai visto prima,» spiega Andrew Houck, professore di elettrotecnica a Princeton. «È un comportamento completamente nuovo della luce.»

I ricercatori hanno costruito un atomo artificiale grande quanto 100 miliardi di atomi naturali, studiato per comportarsi come una singola unità. Avvicinandolo a un filo superconduttore che trasportava elettroni, si è incrociato con questi ultimi – un comportamento incomprensibile ma tipico del mondo quantistico. Il groviglio che si è venuto a creare, conosciuto con il termine inglese entanglement, è risultato nello scambio di proprietà tra l'atomo artificiale e i fotoni presenti nel filo. I fotoni hanno perciò iniziato a comportarsi da atomi, intricandosi a formare un unico sistema oscillante in tutto e per tutto analogo a un corpo solido.
Ti potrebbe interessare: Il teletrasporto quantistico è realtà: pietra miliare nella fisica
A un certo punto, i fotoni hanno incominciato a riversarsi nell'ambiente circostante, rallentando le oscillazioni fino al raggiungimento di un punto critico. Raggiunto questo stadio, si sono verificati comportamenti quantistici contrastanti, quasi paradossali: i fotoni potevano assumere due diversi stati contemporaneamente – un comportamento che ricorda quello del celebre gatto di Schrödinger.
«Abbiamo creato una situazione in cui la luce si è comportata proprio come una particella, nel senso che due fotoni riuscivano a interagire profondamente,» spiega Darius Sadri, uno dei ricercatori. «In una modalità, la luce sciabordava di qua e di là come un liquido; nell'altra, si congelava completamente.»
Il team continuerà a indagare sulle particelle solidificate di luce, in quanto si comportano come particelle subatomiche ma sono per alcuni versi più facili da studiare. Nello studiare il comportamento di grandi quantità di particelle si ricorre solitamente alla meccanica statistica, che semplifica il tutto a un sistema in equilibrio senza interazioni interne. Tuttavia, come scrive Houck, «il mondo attorno a noi raramente è in equilibrio»: la luce solidificata offre perciò un'interessante opportunità per studiare sistemi subatomici che divergono dallo stato di equilibrio.
Il sistema creato in laboratorio è ancora molto semplice, con interazioni tra la luce e l'atomo artificiale presenti in soli due punti. Tuttavia, gli scienziati sperano di poter costruire su questo primo esperimento e giungere a strutture sempre più complesse e diverse tra loro.
Questa nuova applicazione della luce potrebbe permettere agli scienziati di studiare anche materiali ancora non esistenti, ma ipotizzate da alcune teorie fisiche, esplorando le loro eventuali proprietà.

Fonte: PhysRevX.4.031043, Observation of a Dissipation-Induced Classical to Quantum Transition, Raftery, J. and Sadri, D. and Schmidt, S. and Tureci, H. E. and Houck, A. A., Phys. Rev. X vol. 4 issue 3 pages 031043, numpages 10, year 2013, month Sep, publisher APS, DOI 10.1103/PhysRevX.4.031043