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Luce: prima fotografia del dualismo onda-particella

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La luce si comporta sia come una particella che come un’onda. Sin dai tempi di Einstein, gli scienziati hanno cercato di osservare direttamente entrambi questi aspetti della luce allo stesso tempo. Ora, gli scienziati dell’EPFL sono riusciti a catturare la prima istantanea di questo doppio comportamento.

La meccanica quantistica ci dice che la luce può comportarsi simultaneamente come una particella o un’onda. Tuttavia, non c’è mai stato un esperimento in grado di catturare contemporaneamente entrambe le nature della luce; la cosa più vicina a cui siamo arrivati ​​è vedere un’onda o una particella, ma sempre in momenti diversi. 

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Adottando un approccio sperimentale radicalmente diverso, gli scienziati dell’EPFL sono stati ora in grado di scattare la prima istantanea della luce che si comporta sia come un’onda che come una particella. Il lavoro rivoluzionario è pubblicato su Nature Communications.

Quando la luce UV colpisce una superficie metallica, provoca un’emissione di elettroniAlbert Einstein spiegò questo effetto “fotoelettrico” proponendo che la luce – pensata solo come un’onda – in realtà è anche un flusso di particelle.

Anche se una serie di esperimenti ha osservato con successo sia il comportamento delle particelle che quello delle onde della luce, non sono mai stati in grado di osservarli entrambi allo stesso tempo.

Un gruppo di ricerca guidato da Fabrizio Carbone all’EPFL ha ora condotto un esperimento con una svolta intelligente: utilizzare gli elettroni per rappresentare la luce. I ricercatori hanno catturato, per la prima volta in assoluto, una singola istantanea della luce che si comporta simultaneamente sia come un’onda che come un flusso di particelle.

L’esperimento è stato condotto in questo modo: un impulso di luce laser è stato sparato su un minuscolo nanofilo metallico. Il laser ha aggiunto energia alle particelle cariche nel nanofilo, facendole vibrare. La luce viaggia lungo questo minuscolo filo in due possibili direzioni, come le auto su un’autostrada. Quando le onde che viaggiano in direzioni opposte si incontrano, formano una nuova onda che sembra essere sul posto. Qui, questa onda stazionaria diventa la fonte di luce per l’esperimento, irradiandosi attorno al nanofilo.

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La natura ondulatoria della luce

Ed è qui che entra in gioco il trucco dell’esperimento: gli scienziati hanno sparato un flusso di elettroni vicino al nanofilo, usandoli per rappresentare l’onda stazionaria di luce. Quando gli elettroni interagivano con la luce confinata sul nanofilo, acceleravano o rallentavano.

Usando il microscopio ultraveloce per visualizzare la posizione in cui si è verificato questo cambiamento di velocità, il team di Carbone ha visualizzato l’onda stazionaria, che agiva come un’impronta digitale della natura ondulatoria della luce.

Sebbene questo fenomeno mostri la natura ondulatoria della luce, allo stesso tempo ha dimostrato anche il suo aspetto di particellare. Quando gli elettroni passano vicino all’onda stazionaria della luce, “colpiscono” le particelle della luce, i fotoni. 

Come accennato in precedenza, ciò influisce sulla loro velocità, facendoli muovere più velocemente o più lentamente. Questo cambiamento di velocità appare come uno scambio di “pacchetti” di energia (quanti) tra elettroni e fotoni. La stessa presenza di questi pacchetti di energia mostra che la luce sul nanofilo si comporta come una particella.

“Questo esperimento dimostra che, per la prima volta in assoluto, possiamo filmare la meccanica quantistica – e la sua natura paradossale – direttamente”, afferma FabrizioCarbone

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Inoltre, l’importanza di questo lavoro pionieristico può estendersi oltre la scienza fondamentale e le tecnologie future. Come spiega Carbone: “Essere in grado di visualizzare e controllare fenomeni quantistici su scala nanometrica come questo apre una nuova strada verso l’informatica quantistica.

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