Osservato il riflusso quantistico manipolando la luce

I ricercatori hanno manipolato la luce per mostrare il riflusso quantistico, un passo avanti verso la comprensione della complessa meccanica quantistica e delle sue applicazioni pratiche nelle tecnologie di precisione.

Gli scienziati della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia hanno sovrapposto due fasci di luce ruotati in senso orario per creare torsioni in senso antiorario nelle regioni scure della sovrapposizione risultante. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Optica. Questa scoperta ha implicazioni per lo studio delle interazioni luce-materia e rappresenta un passo avanti verso l’osservazione di un fenomeno peculiare noto come riflusso quantistico.

“Immagina di lanciare una pallina da tennis. La palla inizia ad avanzare con slancio positivo. Se la palla non colpisce un ostacolo, difficilmente ti aspetteresti che cambi improvvisamente direzione e ritorni indietro come un boomerang”, ha osservato Bohnishikha Ghosh, dottorando presso la Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia. 

Complessità della meccanica quantistica

Tuttavia, tutto si complica quando, al posto della palla, nella meccanica quantistica abbiamo a che fare con le particelle. “Nella meccanica classica, un oggetto ha una posizione nota. Nel frattempo, nella meccanica e nell’ottica quantistica, un oggetto può trovarsi nella cosiddetta sovrapposizione, il che significa che una data particella può trovarsi in due o più posizioni contemporaneamente”, ha spiegato il dottor Radek Lapkiewicz, capo del Laboratorio di imaging quantistico dell’Università di Varsavia.

Le particelle quantistiche possono comportarsi in modo completamente opposto alla pallina da tennis di cui sopra: possono avere la probabilità di muoversi all’indietro o ruotare nella direzione opposta durante alcuni periodi di tempo. “I fisici chiamano questo fenomeno riflusso”, ha specificato Bohnishikha Ghosh.

Riflusso in ottica

Finora il riflusso nei sistemi quantistici non è stato osservato sperimentalmente. Essa è stata invece realizzata con successo nell’ottica classica, utilizzando fasci di luce. I lavori teorici di Yakir Aharonov, Michael V. Berry e Sandu Popescu hanno esplorato la relazione tra il riflusso nella meccanica quantistica e il comportamento anomalo delle onde ottiche su scala locale e hanno osservato il riflusso ottico sintetizzando un fronte d’onda complesso. Successivamente, nel gruppo del Dr. Radek Lapkiewicz, hanno dimostrato questo fenomeno in una dimensione utilizzando la semplice interferenza di due raggi.

“Ciò che trovo affascinante in questo lavoro è che ci si rende conto molto facilmente di quanto le cose diventino strane quando si entra nel regno delle misurazioni su scala locale”, ha affermato la dott.ssa Anat Daniel.

Nell’attuale pubblicazione “Azimuthal backflow in light moving orbital angolar momentum”, apparsa sulla prestigiosa rivista Optica, i ricercatori della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia hanno mostrato l’effetto del riflusso in due dimensioni.

“Nel nostro studio, abbiamo sovrapposto due fasci di luce ruotati in senso orario e osservate localmente torsioni in senso antiorario”, ha spiegato il dott. Lapkiewicz.

Per osservare il fenomeno, i ricercatori hanno utilizzato un sensore del fronte d’onda Shack-Hartman. Il sistema, costituito da una serie di microlenti posizionata davanti a un sensore CMOS (semiconduttore complementare di ossido di metallo), fornisce un’elevata sensibilità per misurazioni spaziali bidimensionali.

“Abbiamo studiato la sovrapposizione di due fasci che trasportavano solo momento angolare orbitale negativo e osservato, nella regione scura dello schema di interferenza, momento angolare orbitale locale positivo. Questo è il flusso di ritorno azimutale”, ha          affermato Bernard Gorzkowski, uno studente di dottorato presso il Laboratorio di imaging quantistico, Facoltà di Fisica.

Contesto storico e applicazioni

Vale la pena ricordare che i fasci di luce con dipendenza dalla fase azimutale (spirale) che trasportano momento angolare orbitale sono stati generati per la prima volta da Marco Beijersbergen sperimentalmente nel 1993 utilizzando lenti cilindriche. Da allora, hanno trovato applicazioni in molti campi, come la microscopia ottica o le pinzette ottiche, uno strumento che consente la manipolazione completa di oggetti su scala micro e nanometrica, il cui creatore Arthur Ashkin è stato insignito del Premio Nobel per la fisica 2018. Le pinzette ottiche vengono attualmente utilizzate per studiare le proprietà meccaniche delle membrane cellulari o dei filamenti di DNA o le interazioni tra cellule sane e tumorali.

Come sottolineano gli scienziati, la loro attuale dimostrazione può essere interpretata come superoscillazioni in fase. Il legame tra il riflusso nella meccanica quantistica e le superoscillazioni nelle onde è stato descritto per la prima volta nel 2010 dal professor Michael Berry, fisico dell’Università di Bristol.

La superoscillazione è un fenomeno che si riferisce a situazioni in cui l’oscillazione locale di una sovrapposizione è più veloce della sua componente di Fourier più veloce. Fu previsto per la prima volta nel 1990 da Yakir Aharonov e Sandu Popescu, che scoprirono che speciali combinazioni di onde sinusoidali producono regioni dell’onda collettiva che si muovono più velocemente di qualsiasi componente.

Michael Berry nella sua pubblicazione “Faster than Fourier” ha illustrato il potere della superoscillazione dimostrando che in linea di principio è possibile suonare la Nona sinfonia di Beethoven combinando solo onde sonore con frequenze inferiori a 1 Hertz – frequenze così basse che non sarebbero udibili da un umano. Ciò è tuttavia molto poco pratico perché l’ampiezza delle onde nelle regioni superoscillatorie è molto piccola.

“Il flusso di ritorno che abbiamo presentato è una manifestazione di rapidi cambiamenti di fase, che potrebbero essere importanti in applicazioni che coinvolgono interazioni luce-materia come l’intrappolamento ottico o la progettazione di orologi atomici ultraprecisi”, ha  affermato Bohnishikha Ghosh. Oltre a questi, la pubblicazione del gruppo della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, è un passo nella direzione dell’osservazione del riflusso quantistico in due dimensioni, che teoricamente si è rivelato più robusto del riflusso unidimensionale.

Fonte: Optica