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Frontiers of Quantum Atom-Light Interactions

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La ricerca rivela nuovi fenomeni quantistici esotici nelle interfacce atomo-nanofotonica

Ottenere forti interazioni luce-materia su scala atomica, dove dominano gli effetti quantistici, è una delle sfide più avvincenti della fisica. L’uso di interfacce nanofotoniche al posto delle loro controparti macroscopiche promette di svelare fenomeni quantistici esotici tra luce e atomi.

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La ricerca su interfacce luce-materia efficienti su scala nanometrica ha recentemente suscitato un intenso interesse soprattutto a causa della pletora di potenziali applicazioni tra cui informatica quantistica e rilevamento quantistico a livello di singolo fotone. Il potenziamento delle interazioni luce-materia comporta in genere l’accoppiamento di un atomo a un sistema macroscopico, come una grande cavità ottica, o il collegamento di una densa nuvola di atomi con la luce in uno spazio libero. Il prossimo obiettivo è accoppiare gli atomi a strutture nanofotoniche. Questa integrazione può rendere le interazioni luce-materia ancora più forti, dando luogo a sistemi più solidi. «Un interrogativo che sta alla base di tutto riguarda l’ipotesi che l’uso di interfacce nanofotoniche possa rivelare fenomeni quantistici mai visti prima e non solo far funzionare le cose vecchie meglio delle nuove», osserva Darrick Chang, beneficiario CER e ricercatore principale del progetto FoQAL, finanziato dal CER. «Da un punto di vista teorico, la domanda è come modellare questi nuovi sistemi che sembrano abbastanza diversi dalle loro controparti più grandi», aggiunge Chang.

Nuovo modello che cattura la dinamica quantistica

Fornire una descrizione dettagliata della dinamica quantistica degli atomi e della luce su scala nanometrica è estremamente impegnativo. Ciò è dovuto principalmente al gran numero di atomi coinvolti e al numero infinito di modalità di luce che definiscono il modo in cui le onde luminose viaggiano attraverso lo spazio. Il team del progetto ha sviluppato un formalismo nuovo e universale che stabilisce gli stati elettronici («spin») degli atomi come i principali gradi di libertà, valori indipendenti che hanno la libertà di variare. In questo cosiddetto modello di spin, gli atomi interagiscono tra loro tramite lo scambio di fotoni. «Se risolviamo questo modello, allora possiamo ricavare tutte le proprietà quantistiche dei fotoni generati in base alle proprietà degli atomi stessi. Questa formulazione esatta elimina la necessità di tracciare il numero infinito di modalità ottiche», spiega Chang.

L’interferenza delle onde luminose non deve essere trascurata

Utilizzando il modello di spin, i ricercatori hanno dimostrato che le guide d’onda a cristalli nanofotonici sono piattaforme nuove in cui atomi e fotoni possono interagire tra loro anche quando sono separati da distanze relativamente grandi. Questo tipo di interazione a lungo raggio, che è abbastanza raro nella maggior parte dei contesti fisici, consente di osservare fenomeni esotici quali i cristalli quantici formati da atomi tenuti insieme da vincoli. Il modello ha inoltre aiutato il team di FoQAL a ottenere nuove informazioni sui gas atomici convenzionali nello spazio libero. Ad esempio, hanno predetto un nuovo valore (limite) per le prestazioni di una memoria quantistica per la luce, che è esponenzialmente migliore di un limite che in precedenza era ritenuto fondamentale. Questo notevole miglioramento è scaturito dallo sfruttamento dell’interferenza delle onde nell’emissione di luce dagli atomi, massimizzata quando gli atomi sono intrappolati vicini. È interessante notare che l’interferenza è completamente ignorata nelle interfacce tradizionali luce-materia a causa della difficoltà di trattarla nelle equazioni o perché è trascurabile. «I risultati suggeriscono che l’interferenza sia un elemento essenziale in grado di migliorare la capacità di conservazione e l’efficienza delle interfacce luce-materia». Sembra quindi interessante esaminare se l’interferenza possa essere utilizzata per potenziare altre applicazioni quantistiche e se possa portare a fenomeni aggiuntivi che mettono in dubbio il sapere contenuto nei libri di testo sulle interazioni atomo-luce», conclude Chang.

Parole chiave

FoQAL, interferenza, interazione luce-materia, fenomeni quantistici esotici, cristallo nanofotonico, interfaccia nanofotonica, modello di spin, memoria quantistica

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