I ricercatori hanno sviluppato un gas luminoso unidimensionale, consentendo di studiare gli effetti quantistici e il comportamento dei gas di fotoni in varie dimensioni.
Utilizzando una soluzione colorante e fotoni indotti dal laser, i ricercatori hanno esplorato il modo in cui i gas di fotoni si condensano e reagiscono ai cambiamenti dimensionali, scoprendo che i gas unidimensionali mostrano fluttuazioni uniche e non hanno un punto di condensazione distinto, intuizioni che potrebbero portare a progressi nelle applicazioni dell’ottica quantistica.
Gas di fotoni unidimensionale
Immagina di essere in piedi in una piscina e di avere l’idea di riempirla con ancora più acqua. Prendi un tubo da giardino e lo usi per generare un getto d’acqua che forma un arco alto per cadere sulla superficie della piscina. Il livello dell’acqua aumenta brevemente nel punto in cui il getto d’acqua colpisce la stessa, ma questo cambiamento è solo minimo poiché l’acqua che cade si distribuisce rapidamente su tutta la distesa.
L’effetto è diverso, tuttavia, se si riempie una grondaia con il getto d’acqua. Il getto crea un’onda nel punto in cui si punta il tubo. Questo perché le pareti della grondaia assicurano che l’acqua non possa scorrere su una superficie ma possa essere distribuita solo nella direzione della stessa. Più stretta è la grondaia, maggiore è l’ampiezza dell’onda e quindi diventa “unidimensionale”.
I fisici dell’Istituto di fisica applicata (IAP) dell’Università di Bonn, in collaborazione con i colleghi della RPTU, hanno ora studiato se effetti simili di dimensionalità possano essere ottenuti anche con gas costituiti da particelle leggere.
Il dott. Frank Vewinger dell’IAP, che è anche membro dell’area di ricerca transdisciplinare “Materia” presso l’Università di Bonn, ha spiegato: “Per creare questi tipi di gas, dobbiamo concentrare molti fotoni in uno spazio confinato e raffreddarli simultaneamente”.
Sperimentazione con gas di fotoni
Nel loro esperimento, i ricercatori hanno riempito un piccolo contenitore con una soluzione di colorante e l’hanno eccitato usando un laser. I fotoni risultanti rimbalzavano avanti e indietro tra le pareti riflettenti del contenitore. Ogni volta che entravano in collisione con una molecola di colorante, venivano raffreddati fino a quando il gas di fotoni non si condensava.
La dimensionalità del gas può essere influenzata modificando la superficie delle spazi riflettenti. I ricercatori dell’IAP hanno collaborato con il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Georg von Freymann dell’RPTU su questo studio. Un metodo di strutturazione ad alta risoluzione è stato adattato in modo da poter essere applicato alle superfici riflettenti del contenitore dei fotoni per questo esperimento.
Julian Schulz dell’RPTU ha dichiarato: “Siamo stati in grado di applicare un polimero trasparente alle superfici riflettenti per creare sporgenze microscopiche. Queste ci ha consentito di intrappolare i fotoni in una o due dimensioni e condensarli”.
Kirankumar Karkihalli Umesh, autore principale dello studio, ha aggiunto: “Questi polimeri agiscono come un tipo di grondaia, ma in questo caso per la luce. Più stretta è questa grondaia, più unidimensionale è il comportamento del gas”.
In due dimensioni, c’è un limite di temperatura preciso a cui avviene la condensazione, simile a come l’acqua congela esattamente a zero gradi Celsius. I fisici chiamano questo una transizione di fase.
Vewinger ha affermato: “Le cose sono un po’ diverse quando creiamo un gas unidimensionale invece che uno bidimensionale. Le cosiddette fluttuazioni termiche hanno luogo nei gas di fotoni, ma sono così piccole in due dimensioni che non hanno alcun impatto reale. Tuttavia, in una dimensione queste fluttuazioni possono, in senso figurato, creare grandi onde”.
Gas di fotoni: conclusione e ricerca futura
Queste fluttuazioni impediscono ai sistemi unidimensionali di mantenere un ordine uniforme, causando variazioni nelle proprietà di diverse regioni del gas. Di conseguenza, la transizione di fase, ben definita in due dimensioni, diventa sempre più graduale man mano che il sistema si avvicina a una dimensione.
Le sue proprietà, tuttavia, sono ancora governate dalla fisica quantistica, come nel caso dei gas bidimensionali, e questi tipi sono chiamati gas quantistici degeneri. È come se l’acqua si trasformasse in una forma di acqua ghiacciata a basse temperature senza mai congelarsi completamente durante il raffreddamento.
Vewinger ha dichiarato: “Ora siamo stati in grado di studiare questo comportamento nella transizione da un gas di fotoni bidimensionale a uno unidimensionale per la prima volta”.
I gruppi di ricerca sono stati in grado di dimostrare che i gas di fotoni unidimensionali non hanno in realtà un punto di condensazione preciso. Apportando piccole modifiche alle strutture polimeriche, sarà ora possibile studiare in dettaglio i fenomeni che si verificano nella transizione tra diverse dimensionalità. Al momento, questa è ancora considerata una ricerca di base, ma è possibile che possa aprire nuove aree di applicazione per gli effetti ottici quantistici.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics.
