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Quantum Nano Optomechanics

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Misurare i fotoni utilizzando un nanofilo

Lo studio delle interazioni tra luce e materia spinge gli scienziati a riflettere su alcuni importanti interrogativi nel campo della fisica rimasti ancora senza risposta. Esperimenti all'avanguardia sulla scala quantistica hanno fatto luce su nuove forme di accoppiamento destinate a segnare una svolta cruciale nel settore.

Tecnologie industriali

L'optomeccanica in cavità è un nuovo campo estremamente promettente che studia le interazioni tra la radiazione elettromagnetica e il movimento nano e micromeccanico. Nell'ambito di esperimenti da tavolo, gli esperti manipolano fotoni servendosi di specchi e risonatori meccanici e sfruttando, in tal modo, il fenomeno della pressione di radiazione, ovvero la forza per area unitaria di luce o fotoni, vale a dire la pressione esercitata su una superficie esposta alla radiazione. Il progetto QNAO ("Quantum nano optomechanics"), finanziato dall'UE, ha spinto gli scienziati a compiere importanti progressi in questo settore all'avanguardia. Gli esperti sono riusciti, ad esempio, a dimostrare la capacità di analizzare sul piano ottico il movimento su nanoscala degli oscillatori a sub-lunghezza d'onda caratterizzati da livelli di sensibilità prossimi al limite quantistico standard. I nanorisonatori a massa ultrabassa hanno consentito agli scienziati di eseguire misurazioni sulle forze con sensibilità a livello dell'attoNewton (1x10-18 Newton) nell'ambito di un esperimento condotto a temperatura ambiente. La teoria della retroazione quantistica è considerata l'analogo quantistico della terza legge di Newton che afferma che a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Gli scienziati hanno osservato la retroazione ottica esercitata dal fascio di luce sul nanorisonatore, che rappresentava un chiaro indicatore del forte accoppiamento tra i modi di oscillazione del risonatore. Nell'ambito di esperimenti separati, il gruppo di lavoro ha analizzato il fenomeno al contrario ideando il primo sistema ibrido basato su spin e nanomeccanica. I ricercatori hanno quindi collegato un singolo qubit privo di azoto (ovvero un modello di sistema basato sui diamanti e utilizzato per lo studio dei fenomeni correlati allo spin degli elettroni) all'estremità di un nanofilo liberamente sospeso che funge da nanorisonatore. L'utilizzo della spettroscopia di spin in questo sistema sperimentale del tutto nuovo ha consentito agli scienziati di dimostrare che il movimento del nanofilo è impresso nello stato dello spin. Ciò ha spinto gli esperti ad avviare un nuovo filone di ricerca in cui lo spin è automaticamente bloccato sul risonatore e destinato a spianare la strada all'elaborazione di protocolli di misurazione ancora più avanzati nei sistemi ibridi. Le esplorazioni basate sull'optomeccanica in cavità verranno utilizzate ai fini della dimostrazione di ipotesi fondamentali relative alle interazioni luce-materia, tra cui le teorie gravitazionali. Queste scoperte forniranno inoltre la base di numerose applicazioni collocate in un futuro più o meno lontano, tra cui l'accelerazione ultrasensibile e i sensori di forza, gli oscillatori a microonde, le tecnologie di elaborazione del segnale ottico e la fotonica del silicio. Gli esperimenti all'avanguardia eseguiti nell'ambito del progetto QNAO hanno condotto a una vera e propria svolta in un campo estremamente importante.

Parole chiave

Fotoni, nanofilo, quanto, accoppiamento, optomeccanica in cavità, pressione di radiazione, nanorisonatore, retroazione, intrecciamento, qubit, spettroscopia di spin

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