Atomi all’interno di trappole fotoniche

Negli ultimi anni, sono stati effettuati degli sforzi considerevoli per portare gli atomi ultrafreddi nel regno della nanofotonica. I ricercatori finanziati dall’UE hanno mirato alla realizzazione sperimentale di sistemi in grado di accoppiare singoli atomi alle guide d’onda in cristallo fotonico.

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Ricerca di base

Il progetto ATOMNANO (Quantum interface between atomic and nano-photonic systems) è stato ispirato dalla prospettiva di controllare sia il tipo che il range di interazioni atomo-fotone. Inoltre, attraverso l’ingegnerizzazione relativa alla dispersione ottica dei cristalli fotonici, è possibile realizzare forti interazioni tra i singoli fotoni. I cristalli fotonici sono materiali dielettrici contenenti elementi nanoscopici caratterizzati da una disposizione periodica. Determinate lunghezze d’onda della luce si propagano attraverso questi cristalli, mentre per altre lunghezze d’onda il passaggio è bloccato. Progettando accuratamente la periodicità di tali elementi nanoscopici, è stato raggiunto il controllo della luce da parte dei cristalli, i quali agiscono come guide d’onda con lievi perdite. Nell’ambito del progetto ATOMNANO, i ricercatori hanno sviluppato una suite di strumenti di calcolo per la progettazione di cristalli fotonici che facilitano la localizzazione degli atomi freddi all’interno della propria struttura. Inoltre, sono stati applicati nuovi principi di progettazione per dimostrare il modo in cui è possibile regolare le interazioni tra atomi e fotoni che si propagano nei cristalli. Nello specifico, i ricercatori hanno dimostrato che strutture di cristallo fotonico correttamente progettate supportano forti interazioni a lunga distanza. In questo senso, è stata scoperta la responsabilità di un fenomeno in cui gli atomi sono “vestiti” da una nube fotonica localizzata. Inoltre, le dimensioni della nube possono essere adattate regolando le proprietà della struttura cristallina. L’adattamento delle interazioni tra emettitori quantici e singoli fotoni costituisce uno dei capisaldi dell’ottica quantistica. Inoltre, la capacità di realizzare interazioni a lunga distanza tra atomi e fotoni sblocca nuove strade nella ricerca della fisica quantistica a molti corpi. Prima del completamento relativo al progetto ATOMNANO, forze intense dipendenti dallo spin, derivanti da atomi accoppiati a cristalli fotonici, hanno dimostrato di produrre “cristalli quantistici”. In questi cristalli esotici, l’organizzazione spaziale degli atomi dipende dalle energie dovute alla variazione di spin.