Sviluppato un gas di fotoni 1D fatto di pura luce

Per la prima volta, un team di fisici ha creato un gas di fotoni unidimensionale composto da pura luce e vogliono utilizzarlo per studiare il comportamento dei fotoni, o particelle di luce, a livello quantistico.

Creato un gas di fotoni unidimensionale

Gli scienziati hanno creato il nuovo stato della materia, chiamato gas di fotoni, sparando un laser in un contenitore riflettente riempito di colorante, facendo sì che i fotoni nel raggio si raffreddassero e alla fine si condensassero. I ricercatori hanno pubblicato le loro scoperte il 6 settembre sulla rivista Nature Physics.

“Per creare questi tipi di gas, dobbiamo concentrare molti fotoni in uno spazio confinato e raffreddarli simultaneamente“, ha affermato l’autore principale dello studio Frank Vewinger, fisico dell’Università di Bonn.

Lo studio

I fotoni sono bosoni, particelle che hanno spin intero, il che significa che possono occupare lo stesso stato e spazio in un dato momento. Quando un gas di bosoni viene raffreddato a temperature prossime allo zero, tutte le sue particelle perdono la loro energia, entrando negli stessi stati energetici.

Poiché possiamo distinguere tra particelle altrimenti identiche in una nube di gas solo osservandone i livelli energetici, questa equalizzazione ha un effetto profondo: la nube un tempo disparata di particelle vibranti, oscillanti e in collisione che compongono un gas più caldo diventa poi, da un punto di vista della meccanica quantistica, perfettamente identica, creando una forma sfuggente di materia chiamata condensato di Bose-Einstein.

L’esistenza in forma di condensato fa sì che le posizioni delle particelle all’interno di una sostanza diventino altamente incerte. Di conseguenza, i posti che ogni particella potrebbe eventualmente occupare diventano più grandi in termini di area rispetto agli spazi tra le particelle stesse. Invece di oggetti discreti, quindi, i fotoni sovrapposti in un gas di fotoni agiscono come se fossero solo un’unica particella gigante.

I fisici hanno già creato gas di fotoni in due dimensioni in passato. Ma crearli in una sola dimensione è molto più complicato.

“Le cose sono un po’ diverse quando creiamo un gas unidimensionale invece che bidimensionale“, ha detto Vewinger. “Le cosiddette fluttuazioni termiche hanno luogo nei gas fotonici, ma sono così piccole in due dimensioni che non hanno un impatto reale. Tuttavia, in una dimensione queste fluttuazioni possono — in senso figurato — creare grandi onde”.

Per creare un gas di fotoni unidimensionale, i ricercatori hanno riempito un minuscolo contenitore riflettente con una soluzione di colorante prima di sparare un laser al suo interno. I fotoni della luce laser rimbalzavano avanti e indietro all’interno del contenitore finché non si scontravano con le molecole di colorante, che le privavano della loro energia e le facevano raggruppare.

Applicando un polimero trasparente alle pareti riflettenti del contenitore, i ricercatori sono riusciti a modificare il modo in cui riflettevano la luce, in modo che si condensasse efficacemente in una dimensione, ovvero in una linea.

“Questi polimeri agiscono come una specie di grondaia, ma in questo caso per la luce”, ha affermato nella l’autore principale Kirankumar Karkihalli Umesh, ricercatore presso l’Università di Bonn. “Più stretta è questa grondaia, più unidimensionale è il comportamento del gas”.

Studiando il loro gas di fotoni 1D appena creato, i ricercatori hanno confermato che si comporta in modo molto diverso dalla sua forma 2D. A differenza dei gas di fotoni 2D, le fluttuazioni termiche dei loro cugini 1D impediscono loro di condensarsi completamente in certe regioni. Questo crea una transizione di fase parziale tra la luce laser e la sua forma condensata che viene “spalmata” sul gas, come acqua ghiacciata che non si è completamente congelata.

Conclusioni

Gli studiosi hanno affermato che indagare le differenze del gas di fotoni nelle diverse dimensioni potrebbe aiutare i ricercatori a scoprire effetti ottici quantistici ancora sconosciuti.