Nuove intuizioni sui fondamenti della meccanica quantistica

In fisica, come nella vita, è sempre bello guardare le cose da prospettive diverse. Fin dagli albori della fisica quantistica, il modo in cui la luce si muove e interagisce con la materia circostante è stato principalmente descritto e compreso matematicamente attraverso la lente della sua energia.

Max Planck, nel 1900, usò l’energia per spiegare come la luce viene emessa da oggetti riscaldati, uno studio fondamentale sulle basi della meccanica quantistica. Albert Einstein utilizzò l’energia quando introdusse il concetto di fotone nel 1905.

Un team internazionale di fisici sta riesaminando le basi della fisica quantistica dal punto di vista della quantità di moto ed esplorando cosa succede quando la quantità di moto della luce viene ridotta a zero. I ricercatori sono guidati da Michaël Lobet, ricercatore associato presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ed Eric Mazur, Professore di Fisica e Fisica Applicata del Balkanski presso il SEAS,

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Light Science & Applications il 25 aprile 2022.

Qualsiasi oggetto con massa e velocità ha slancio – dagli atomi ai proiettili agli asteroidi – e lo slancio può essere trasferito da un oggetto all’altro. Un fucile rincula quando viene sparato un proiettile perché la quantità di moto del proiettile viene trasferita all’arma. Su scala microscopica, un atomo indietreggia quando emette luce a causa della quantità di moto acquisita dal fotone. Il rinculo atomico, descritto per la prima volta da Einstein quando stava scrivendo la teoria quantistica della radiazione, è un fenomeno fondamentale che regola l’emissione di luce.

Ma un secolo dopo Planck ed Einstein, una nuova classe di metamateriali sta sollevando interrogativi riguardo a questi fenomeni fondamentali. Questi metamateriali hanno un indice di rifrazione vicino allo zero, il che significa che quando la luce li attraversa, non viaggia come un’onda in fasi di creste e depressioni. Invece, l’onda si allunga all’infinito, creando una fase costante. Quando ciò accade, molti dei processi tipici della meccanica quantistica scompaiono, incluso il rinculo atomico.

Come mai? Tutto torna allo slancio. In questi cosiddetti materiali con indice vicino allo zero, la quantità di moto d’onda della luce diventa zero e quando la quantità di moto d’onda è zero, accadono cose strane.

“I processi radiativi fondamentali sono inibiti nei materiali tridimensionali con indice vicino allo zero“, afferma Lobet, che attualmente è docente presso l’Università di Namur in Belgio. “Ci siamo resi conto che il rinculo della quantità di moto di un atomo è vietato nei materiali con indice vicino allo zero e che non è consentito alcun trasferimento di quantità di moto tra il campo elettromagnetico e l’atomo“.

Se infrangere una delle regole di Einstein non fosse stato abbastanza, i ricercatori hanno anche infranto l’esperimento forse più noto della fisica quantistica: l’esperimento della doppia fenditura di Young. Questo esperimento viene utilizzato nelle aule di tutto il mondo per dimostrare la dualità particella-onda nella fisica quantistica, dimostrando che la luce può mostrare le caratteristiche sia delle onde che delle particelle.

In un materiale tipico, la luce che passa attraverso due fenditure produce due sorgenti coerenti di onde che interferiscono per formare un punto luminoso al centro dello schermo con un motivo di frange chiare e scure su entrambi i lati, note come frange di diffrazione.

“Quando abbiamo modellato e calcolato numericamente l’esperimento della doppia fenditura di Young, si è scoperto che le frange di diffrazione svaniscono quando l’indice di rifrazione è stato abbassato“, ha affermato la coautrice Larissa Vertchenko, dell’Università tecnica della Danimarca. “Come si può vedere, questo lavoro interroga le leggi fondamentali della meccanica quantistica e sonda i limiti della dualità onda-corpuscolo“, ha spiegato il coautore Iñigo Liberal, dell’Università pubblica di Navarra a Pamplona, ​​in Spagna.

Mentre alcuni processi fondamentali sono inibiti nei materiali con indice di rifrazione vicino allo zero, altri sono migliorati. Prendi un altro famoso fenomeno quantistico: il principio di indeterminazione di Heisenberg, più accuratamente noto in fisica come disuguaglianza di Heisenberg. Questo principio afferma che non puoi conoscere sia la posizione che la velocità di una particella con perfetta precisione e più ne sai di una, meno sai dell’altra. Ma, nei materiali con indice vicino allo zero, sai con certezza al 100% che la quantità di moto di una particella è zero, il che significa che non hai assolutamente idea di dove si trovi la particella nel materiale in un dato momento.

“Questo materiale sarebbe un microscopio davvero scadente, ma consente di nascondere gli oggetti in modo abbastanza perfetto“, ha affermato Lobet. “In qualche modo, gli oggetti diventano invisibili“.

“Questi risultati teorici gettano nuova luce sulla fotonica dell’indice di rifrazione vicino allo zero da una prospettiva di quantità di moto“, ha affermato Mazur. “Fornisce approfondimenti sulla comprensione delle interazioni luce-materia nei sistemi con un basso indice di rifrazione, che possono essere utili per applicazioni laser e di ottica quantistica“.

La ricerca potrebbe anche far luce su altre applicazioni, tra cui l’informatica quantistica, le sorgenti luminose che emettono un singolo fotone alla volta, la propagazione della luce senza perdita di dati attraverso una guida d’onda e altro ancora.

Il team ora mira a rivisitare altri esperimenti quantistici fondamentali su questi materiali dalla prospettiva dello slancio. Dopotutto, anche se Einstein non ha previsto materiali con indice di rifrazione vicino allo zero, ha sottolineato l’importanza della quantità di moto. Nel suo articolo fondamentale del 1916 sui processi radiativi fondamentali, Einstein insisteva sul fatto che, da un punto di vista teorico, energia e quantità di moto “dovrebbero essere considerate su un piano completamente uguale poiché energia e quantità di moto sono collegate nel modo più vicino possibile“.

“Come fisici, è un sogno seguire le orme di giganti come Einstein e spingere ulteriormente le loro idee“, ha detto Lobet. “Ci auguriamo di poter fornire un nuovo strumento che i fisici possano utilizzare e una nuova prospettiva, che potrebbe aiutarci a comprendere questi processi fondamentali e sviluppare nuove applicazioni“.

Riferimento: “Momentum considerations inside near-zero index materials” di Michaël Lobet, Iñigo Liberal, Larissa Vertchenko, Andrei V. Lavrinenko, Nader Engheta ed Eric Mazur, 25 aprile 2022, Luce: scienza e applicazioni .
DOI: 10.1038/s41377-022-00790-z