Nel 1801, lo scienziato britannico Thomas Young eseguì un esperimento della “doppia fenditura” che è passato alla storia della fisica: facendo brillare la luce attraverso due fenditure in un materiale, dimostrò che la luce si comportava come un’onda, prendendo contemporaneamente percorsi diversi.
Da quel momento pionieristico, l’esperimento è stato ripetuto per dimostrare che la radiazione elettromagnetica mostra comportamenti sia ondulatori che particellari. Per dirla in altro modo, i fotoni possono agire come biglie che rotolano giù per un pendio e come increspature in uno stagno, a seconda di come vengono misurati.
Non sono solo i fotoni ad agire in questo modo. Gli scienziati hanno utilizzato configurazioni simili per dimostrare che elettroni, neutroni e interi atomi si comportano allo stesso modo, stabilendo un principio fondamentale della fisica quantistica come teoria basata sulla probabilità.
Ora gli scienziati hanno ricreato l’esperimento di Young con una svolta moderna. Invece di un paio di fenditure separate nello spazio, hanno utilizzato “fessure temporali” create da rapidi aggiustamenti nella riflettività di un materiale, testando la capacità di un’onda di luce di interferire con il proprio passato e futuro.
“Il nostro esperimento rivela di più sulla natura fondamentale della luce mentre funge da trampolino di lancio per creare i materiali definitivi in grado di controllare minuziosamente la luce sia nello spazio che nel tempo“, afferma il fisico Riccardo Sapienza dell’Imperial College di Londra nel Regno Unito.
Per effettuare l’esperimento, Sapienza ed i suoi colleghi hanno utilizzato un sottile strato di ossido di indio-stagno, un materiale utilizzato negli schermi degli smartphone. Gli impulsi laser hanno modificato la sua riflettività per creare due periodi distinti in cui è possibile misurare la luce che colpisce il materiale, fornendo percorsi distinti nel tempo in cui una singola onda di luce può interferire con se stessa.
Queste differenze di tempo hanno cambiato la frequenza della luce quando ha colpito il materiale, con l’interferenza tra le diverse onde che hanno prodotto colori distinti piuttosto che differenze di luminosità. Gli scienziati hanno studiato questo modello di interferenza per fare osservazioni sul comportamento ondulatorio della luce.
“L’esperimento della doppia fenditura temporale apre le porte a una spettroscopia completamente nuova in grado di risolvere la struttura temporale di un impulso luminoso“, afferma il fisico John Pendry dell’Imperial College di Londra.
È interessante notare che le fenditure si sono aperte molto più velocemente di quanto gli scienziati si aspettassero, tra 1 e 10 femtosecondi (quadrilionesimi di secondo). Il fatto che l’esperimento abbia superato la modellazione teorica suggerisce che parte di quella modellazione deve essere ripensata: i materiali non interagiscono necessariamente con la luce esattamente come pensavano gli scienziati (quando l’intensità o la velocità cambiano, per esempio).
Avere un materiale come questo, che può cambiare il modo in cui reagisce alla luce in tempi assolutamente minuscoli, potrebbe essere utile per sviluppare nuove tecnologie e scavare più a fondo nei misteri della fisica quantistica.
Sarà utile anche sulle scale più grandi, nello studio di fenomeni come i buchi neri. Successivamente, il team testerà la “svolta temporale” su un altro materiale, un cristallo atomico, in cui gli atomi seguono uno schema rigoroso, il che potrebbe portare a rapidi miglioramenti nell’elettronica.
“Il concetto di cristalli temporali ha il potenziale per portare a interruttori ottici ultraveloci e parallelizzati“, afferma il fisico Stefan Maier dell’Imperial College di Londra.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.
