Singoli fotoni in gamme spettrali: i fisici creano i tornelli

Fisici provenienti da Germania, Danimarca e Austria sono riusciti a creare una sorta di tornello per la luce in fibre di vetro che permette alle particelle di luce di passare solo una alla volta.

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Le fibre di vetro, che guidano la luce laser, sono la spina dorsale della moderna società dell’informazione. Se si pensa alla luce laser come a un flusso di particelle luminose, i cosiddetti fotoni, allora queste sono completamente indipendenti l’una dall’altra e il loro esatto tempo di arrivo è lasciato al caso.
In particolare, due fotoni possono arrivare contemporaneamente al ricevitore. Per molte applicazioni, tuttavia, è auspicabile che un fotone sia registrato uno dopo l’altro; cioè che le particelle di luce siano allineate come un filo di perle.
Tali fotoni isolati sono, ad esempio, un requisito fondamentale per la comunicazione quantistica, dove si può comunicare in modo fondamentalmente a prova di intercettazione.
Finora, singoli emettitori quantistici come un singolo atomo o una singola molecola, hanno tipicamente agito come sorgenti per tali flussi di singoli fotoni. Se l’emettitore quantistico ( che in altre parole può essere immaginato come un atomo artificiale caratterizzato da due o più livelli energetici) è eccitato con luce laser e fluorescente, emetterà sempre esattamente un fotone ad ogni salto quantico.
Per questo tipo di sorgente, è quindi ancora una sfida per “alimentare” in modo efficiente i fotoni emessi in una fibra di vetro in modo da inviarne il maggior numero possibile al ricevitore.
Scienziati provenienti da Germania, Danimarca e Austria sono riusciti per la prima volta a convertire direttamente la luce laser in fibre ottiche in un flusso di fotoni isolati per mezzo di un nuovo effetto.
La proposta per l’esperimento è venuta dai fisici teorici Dr. Sahand Mahmoodian e dal Prof. Klemens Hammerer dell’Università Leibniz di Hannover; e dai colleghi dell’Università di Copenaghen.
L’esperimento è stato poi realizzato nel gruppo di ricerca del Prof. Dr. Arno Rauschenbeutel presso l’Università Humboldt di Berlino.

Singoli fotoni in gamme spettrali: realizzate sorgenti luminose, a singolo fotone

A questo scopo i ricercatori hanno utilizzato una potente interfaccia atomo-luce, in cui gli atomi sono intrappolati vicino ad una cosiddetta nanofibra ottica e accoppiati in modo controllato alla luce guidata nella nanofibra.
Queste speciali fibre di vetro sono cento volte più sottili di un capello umano e gli atomi sono tenuti in posizione a 0,2 micrometri dalla superficie della fibra di vetro con pinzette fatte di luce laser.
Allo stesso tempo, essi sono raffreddati dalla luce laser ad una temperatura di pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. Questo sistema ha permesso ai ricercatori di controllare con precisione il numero di atomi lungo il raggio laser. Nell’esperimento, i ricercatori hanno poi analizzato la frequenza con cui i fotoni uscivano dalla fibra individualmente o in coppia.
Quando circa 150 atomi sono rimasti intrappolati vicino alla nanofibra, si è scoperto che la luce trasmessa consisteva praticamente solo di fotoni isolati. Quindi, collettivamente, gli atomi hanno agito per i fotoni come un tornello che regola un flusso di persone. Sorprendentemente, l’effetto è stato l’opposto quando il numero di atomi è stato aumentato: Poi gli atomi lasciavano passare i fotoni preferibilmente in coppia.
Questa scoperta apre un modo completamente nuovo di realizzare sorgenti luminose, integrate in fibra, a singolo fotone. Allo stesso tempo, il principio di funzionamento dimostrato dai ricercatori può essere applicato ad ampie gamme dello spettro elettromagnetico (microonde ai raggi X). Ciò apre la possibilità di generare singoli fotoni in gamme spettrali per le quali finora non sono disponibili sorgenti. I ricercatori hanno già presentato una domanda di brevetto per questa tecnologia.

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