I ricercatori dell’Università di Bonn hanno dimostrato che i superfotoni, o condensati di Bose-Einstein, sono conformi ai teoremi fisici fondamentali, consentendo di comprendere proprietà spesso difficili da osservare.
Esperimenti con superfotoni in gas quantistici
Migliaia di fotoni, in condizioni opportune, possono unirsi per formare un “super-fotone“. I fisici definiscono questo stato un condensato di Bose-Einstein (BEC) di fotoni. Un team di ricercatori dell’Università di Bonn ha recentemente dimostrato che questo affascinante stato quantistico segue un principio fondamentale della fisica. Tale scoperta apre la strada a misurazioni precise di proprietà dei condensati di Bose-Einstein di fotoni, finora difficilmente accessibili. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.
Raffreddando a temperature estremamente basse migliaia di atomi confinati in un piccolo volume, questi diventano indistinguibili e si comportano come un’unica “superparticella“. I fisici hanno chiamato questo fenomeno condensato di Bose-Einstein o gas quantistico. I fotoni, seguendo un principio simile, possono condensarsi e venire raffreddati tramite l’utilizzo di molecole coloranti. Queste molecole agiscono come minuscoli frigoriferi, assorbendo i fotoni “caldi” e poi rilasciandoli alla giusta temperatura.
Il dottor Julian Schmitt dell’Istituto di fisica applicata dell’Università di Bonn ha dichiarato: “Nei nostri esperimenti, abbiamo riempito un minuscolo contenitore con una soluzione colorante. Le pareti del contenitore erano altamente riflettenti”.
I ricercatori hanno quindi eccitato le molecole del colorante con un laser, generando fotoni che rimbalzavano avanti e indietro tra le superfici riflettenti. Man mano che le particelle di luce collidevano ripetutamente con le molecole del colorante, si raffreddavano fino a condensarsi in un gas quantistico.
Le particelle del superfotone, in continuo contatto con le molecole del colorante, vengono assorbite e poi rilasciate nuovamente. Questo ciclo di assorbimento e re-emissione provoca fluttuazioni nel numero di fotoni nel gas quantistico, facendolo “tremolare” come una candela.
Schmitt ha aggiunto: “Abbiamo sfruttato questo sfarfallio per testare la validità di un importante teorema della fisica in un sistema di gas quantistico”.
Teorema di regressione: come i superfotoni rispondono alle perturbazioni
Il cosiddetto “teorema di regressione” può essere compreso attraverso un’analogia semplice: immaginiamo il superfotone come un falò che occasionalmente brucia con fiamme intense e irregolari. Dopo un picco di intensità, le fiamme si affievoliscono gradualmente e il fuoco ritorna al suo stato originario. Curiosamente, è possibile intensificare le fiamme soffiando aria sulle braci.
In termini semplici, il teorema di regressione afferma che il fuoco continuerà a bruciare come se l’esplosione fosse avvenuta casualmente. In altre parole, la risposta alla perturbazione rispecchia esattamente le fluttuazioni naturali del fuoco in assenza di qualsiasi disturbo.
Schmitt ha affermato: “L’obiettivo era capire se questo comportamento si estendesse anche ai gas quantistici”.
Per scoprirlo, i ricercatori hanno innanzitutto misurato lo sfarfallio dei superfotoni per quantificarne le fluttuazioni statistiche. Successivamente, hanno figurativamente “soffiato aria sul fuoco”, irradiando brevemente i superfotoni con un altro laser. Questa perturbazione ha causato un picco di intensità temporaneo, seguito da un graduale ritorno allo stato iniziale.
Superfotoni: teorema di regressione valido anche per forti perturbazioni
Schmitt ha spiegato: “Abbiamo osservato che la risposta a questa lieve perturbazione rispecchiava esattamente la dinamica delle fluttuazioni casuali in assenza di disturbi. Questo ha dimostrato per la prima volta che il teorema di regressione si applica anche a forme esotiche di materia come i gas quantistici.”
Fatto interessante, la validità del teorema si estende anche a perturbazioni più intense. In generale, i sistemi tendono a reagire in modo differente a sollecitazioni forti rispetto a quelle deboli: un esempio lampante è lo strato di ghiaccio che si rompe improvvisamente sotto un carico eccessivo.
Schmitt ha aggiunto: “Questo è un classico esempio di comportamento non lineare. Tuttavia, nei gas quantistici, il teorema di regressione rimane valido anche in presenza di forti perturbazioni, come abbiamo dimostrato insieme ai nostri colleghi dell’Università di Anversa.”
Le scoperte hanno un impatto significativo sulla ricerca fondamentale sui gas quantistici fotonici, poiché spesso risulta difficile determinare con precisione le fluttuazioni di luminosità di questi sistemi. Al contrario, è più semplice valutare la risposta del superfotone a una perturbazione controllata.
Schmitt ha concluso: “Questo approccio ci permette di studiare proprietà sconosciute in condizioni altamente controllate. Ad esempio, ci consentirà di indagare il comportamento interno di nuovi materiali fotonici composti da molteplici superfotoni”.
