La tecnologia del laser fa un salto quantistico
Un team di ricerca dell'Università di Innsbruck, in Austria, finanziato dall'UE, ha inventato un laser ad atomo singolo che funziona sulla base dello stesso principio di un laser tradizionale, ma ha anche proprietà meccaniche quantistiche nelle interazioni atomo-fotone. I risultati della ricerca, che sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics, porteranno a una più profonda comprensione delle proprietà del laser e saranno usate per misurare gas in tracce e composizioni dell'isotopo del carbonio nell'aria e nel terreno. L'Unione europea ha sostenuto il lavoro tramite i progetti QUBITS ("Quantum based information processing and transfer using single atoms and photons") e QUEST, entrambi finanziati dal Quinto programma quadro (5° PQ), e dal progetto SCALA ("Scalable quantum computing with light and atoms"), finanziato nell'ambito del Sesto programma quadro (6° PQ). Altri fondi sono stati stanziati dalla Federazione dell'industria austriaca per il Tirolo e dal Fondo austriaco per la scienza. I primi laser (onde di luce elettromagnetiche prodotte artificialmente che possono essere manipolate da lenti) sono stati sviluppati appena 50 anni fa. Oggi la tecnologia laser è entrata a far parte della nostra vita quotidiana, essendo ampiamente usata in molti settori, specialmente nel campo dell'elettronica, della medicina, dell'industria, della salute e della bellezza, della sicurezza e dell'intrattenimento. Un laser classico consiste in un mezzo di guadagno (amplificatore) all'interno di una cavità ottica altamente riflettente nella quale la luce viene amplificata. In questo tipo di laser c'è un grande aumento nella potenza di uscita quando si raggiunge una certa soglia. A questo punto, il guadagno (amplificazione) è equivalente alle perdite della luce che circola attraverso la cavità. Più è alto il numero di fotoni, più è potente l'amplificazione della luce. Il team di ricerca dell'Università di Innsbruck si è proposto di dimostrare che si può raggiungere una soglia laser al livello dell'elemento di costruzione più piccolo possibile, e cioè un singolo atomo che interagisce con un modo singolo in una cavità ottica. Per fare ciò, i ricercatori hanno confinato un singolo ione di calcio in una trappola ionica e lo hanno eccitato con laser esterni. La cavità ottica nella struttura consiste in due specchi che intrappolano e accumulano i fotoni emessi dallo ione in un modo. Lo ione viene eccitato ciclicamente da un laser esterno e a ogni ciclo un fotone si aggiunge al modo della cavità che amplifica la luce. Per coppie atomo-cavità forti, il regime dell'atomo e della cavità mostra un comportamento meccanico quantistico: solo singoli fotoni possono essere introdotti nella cavità. "Di conseguenza, le emissioni stimolate e la soglia sono assenti", ha spiegato l'autore principale dello studio, François Dubin dell'Università di Innsbruck. Questa recente ricerca segue uno studio simile condotto diversi anni fa nel quale si era dimostrato il laser quantistico. La nuova ricerca è diversa in quanto l'accoppiamento può essere messo a punto nel modo della cavità. Il team di ricerca ha scoperto che, scegliendo il parametro giusto dell'impulso laser, si poteva ottenere un'eccitazione più forte e quindi aggiungere più fotoni alla cavità. Sebbene ci fosse ancora meno di un fotone nella cavità, i ricercatori sono stati in grado di osservare l'emissione stimolata nella forma di una soglia. "Un atomo singolo è un aplificatore molto debole. Di conseguenza, la soglia è molto meno pronunciata rispetto a quanto accade nei laser tradizionali", ha detto il dottor Piet Schmidt dell'Università di Innsbruck. In un laser tradizionale, più è forte l'eccitazione, più è alto il risultato, ma questo non succede nel laser a singolo atomo dell'Università di Innskbruck. Nel loro dispositivo il risultato è smorzato. Il team progetta di ampliare le proprie ricerche studiando la transizione da laser classici a laser quantistici attraverso l'aggiunta controllata di sempre più ioni ad interagire con il campo di luce.
Paesi
Austria