Uno studio rivoluzionario ha dimostrato l’uso di cristalli liquidi per una down-conversion parametrica spontanea (SPDC) efficiente e regolabile, ampliando il potenziale delle sorgenti di luce quantistica oltre i tradizionali materiali solidi.
Efficienza e controllo: i vantaggi dei cristalli liquidi
La down-conversion parametrica spontanea (SPDC), un metodo chiave per generare fotoni entangled utilizzato nella fisica e nella tecnologia quantistica, è stata tradizionalmente limitata ai materiali solidi. Tuttavia, i ricercatori del Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) e del Jozef Stefan Institute di Lubiana, Slovenia, hanno recentemente raggiunto una svolta dimostrando per la prima volta la SPDC nei cristalli liquidi.
La loro scoperta, pubblicata sulla rivista Nature, apre la strada allo sviluppo di una nuova generazione di sorgenti quantistiche che sono sia efficienti che sintonizzabili tramite campi elettrici.
La divisione di un singolo fotone in due è uno degli strumenti più utili nella fotonica quantistica. Può creare coppie di fotoni entangled, fotoni singoli, luce compressa e stati di luce ancora più complicati, essenziali per le tecnologie ottiche quantistiche. Questo processo è noto come conversione spontanea parametrica verso il basso (SPDC).
La down-conversion parametrica spontanea (SPDC) è un processo strettamente connesso alla simmetria centrale, ovvero la simmetria rispetto a un punto centrale. Un esempio di oggetto con simmetria centrale è un quadrato, mentre un triangolo non ne possiede una.
Per sua natura, la scissione di un fotone in due fotoni (SPDC) rompe questa simmetria centrale. Di conseguenza, tale fenomeno può avvenire solo in cristalli con una cella elementare che non possiede simmetria centrale. Nei liquidi e gas comuni, l’SPDC non può verificarsi a causa della loro isotropia, ovvero l’assenza di una direzione preferenziale.
Cristalli liquidi nematici ferroelettrici: una svolta rivoluzionaria
Recenti scoperte, tuttavia, hanno portato alla luce una nuova classe di cristalli liquidi, i cristalli liquidi nematici ferroelettrici, che presentano caratteristiche uniche. Pur essendo fluidi, questi materiali esibiscono una forte rottura della simmetria centrale. Le loro molecole, allungate e asimmetriche, possono essere orientate da un campo elettrico esterno.
Questa caratteristica peculiare apre nuove possibilità per l’SPDC. Modificando l’orientamento delle molecole, è possibile influenzare la polarizzazione delle coppie di fotoni generate, così come il tasso di generazione stesso. Inoltre, la loro natura fluida permette di integrarli facilmente in dispositivi più complessi.
Utilizzando cristalli liquidi nematici ferroelettrici, i ricercatori hanno ottenuto un’efficienza di generazione di fotoni entangled paragonabile a quella dei migliori cristalli non lineari, come il niobato di litio, pur con uno spessore inferiore. Applicando un campo elettrico di pochi volt, è stato possibile attivare e disattivare la generazione di coppie di fotoni, oltre a modificarne le proprietà di polarizzazione.
Conclusioni
Questa scoperta rivoluzionaria rappresenta l’alba di una nuova era per le sorgenti di luce quantistica. I cristalli liquidi nematici ferroelettrici aprono la strada a sorgenti flessibili, sintonizzabili ed efficienti, con un potenziale immenso per rivoluzionare il panorama della fisica quantistica e delle sue applicazioni tecnologiche.
Ecco alcuni esempi di come questa tecnologia potrebbe rivoluzionare il settore:
Comunicazioni quantistiche: La luce quantistica è alla base delle comunicazioni quantistiche sicure e inattaccabili dagli hacker. Le nuove sorgenti di luce quantistica potrebbero rendere questa tecnologia più accessibile e diffusa, permettendo comunicazioni sicure a livello globale.
Calcolatori quantistici: I computer quantistici sfruttano i principi della meccanica quantistica per eseguire calcoli più veloci e complessi di quelli dei computer tradizionali. Le nuove sorgenti di luce quantistica potrebbero accelerare lo sviluppo di questi computer, con applicazioni in svariati campi come la medicina, la chimica e l’intelligenza artificiale.
Crittografia quantistica: La crittografia quantistica utilizza la luce quantistica per proteggere i dati in modo inossidabile. Le nuove sorgenti di luce quantistica potrebbero rendere questa tecnologia più robusta e accessibile, garantendo una maggiore sicurezza per i dati sensibili.
Sensori quantistici: I sensori quantistici utilizzano la luce quantistica per misurare con estrema precisione fenomeni fisici e chimici. Le nuove sorgenti di luce quantistica potrebbero migliorare la sensibilità e la precisione di questi sensori, con applicazioni in campi come la medicina, la diagnostica e l’esplorazione spaziale.
