I fotoni singoli rivelano la natura dei cristalli quantici Scienziati finanziati dall’UE hanno condotto un lavoro rivoluzionario associando il campo dell’accoppiamento optomeccanico – l’accoppiamento tra la luce e il moto meccanico – e la fisica quantica. Sono riusciti a effettuare esperimenti con fotoni singoli e oggetti che oscillano meccanicamente per portare alla luce il loro comportamento quantico. Energia © Thinkstock I risonatori micro e nano meccanici hanno attirato molta attenzione perché sono una nuova classe di sistemi sui quali è possibile testare la teoria quantica. Un sistema di risonatore di primo piano è una cavità optomeccanica nella quale la pressione della radiazione della luce che circola all’interno della cavità è usata per manipolare e fare una lettura degli oscillatori meccanici. Per trasferire le proprietà quantiche dei fotoni singoli ai dispositivi macroscopici ci sono due requisiti fondamentali. In primo luogo è necessario portare un oscillatore optomeccanico allo stato quantico fondamentale raffreddandolo a temperature vicine allo zero assoluto. In secondo luogo, la forza tra il risonatore meccanico e il singolo fotone – la forza dell’accoppiamento – deve essere alta. Il progetto OPTOMECH (Quantum opto-mechanics with photonic and phononic crystals) si è concentrato sulla progettazione e l’ottimizzazione dei sistemi optomeccanici, specialmente i cristalli. I cristalli optomeccanici hanno prestazioni migliori di tutti i dispositivi esistenti in termini di forza di accoppiamento e sono così i candidati ideali per l’accoppiamento optomeccanico quantico del singolo fotone. Associando criostati di elio a flusso continuo e la pressione della radiazione di un laser, gli scienziati sono riusciti a raffreddare il moto meccanico di un dispositivo optomeccanico fino al suo stato fondamentale quantico. Inoltre, gli schemi di accoppiamento migliorati hanno permesso un percorso per dimostrare il raffreddamento passivo con un refrigeratore a diluizione dell’elio. Il team ha usato nuovi metodi per mappare un’area materiale di un risonatore nanomeccanico su un campo luminoso mediante la radiazione di pressione. Un rilevatore a singolo fotone ha permesso di rilevare i fotoni emessi e di migliorare la comprensione della statistica fotonica. I risultati hanno dimostrato la possibilità che la statistica fotonica mostri gli stati quantici. L’uso della luce spremuta con fluttuazioni quantiche al di sotto del campo a vuoto è stato proposto tanto tempo fa come mezzo per ridurre il rumore di riproduzione ottica. Gli scienziati sono riusciti a generare questa luce spremuta mediante misurazioni continue della posizione dell’oscillatore meccanico. OPTOMECH ha dimostrato una serie di esperimenti quantici con sistemi optomeccanici. Tali sistemi che sono governati da effetti quantici possono servire da sensori quantici estremamente sensibili o per applicazioni di informazione quantica. Parole chiave Fotoni singoli, accoppiamento optomeccanico, comportamento quantico, cristalli fotonici, cristalli
