Ogni tipo di atomo dell’universo ha un’impronta digitale unica: assorbe o emette solo luce alle particolari energie che corrispondono alle orbite consentite dei suoi elettroni. Questa impronta digitale consente agli scienziati di identificare un atomo ovunque venga trovato. Un atomo di idrogeno nello spazio assorbe la luce con le stesse energie di uno sulla Terra.
I fisici hanno imparato che con i campi elettrici e magnetici possono manipolare questa impronta digitale, ma il numero di funzioni che lo compongono, di solito, rimane costante. In un lavoro appena pubblicato sulla rivista Nature, i ricercatori dell’Università di Chicago hanno sfidato questo paradigma facendo vibrare gli elettroni con i laser per creare caratteristiche “doppelganger” a nuove energie: una svolta che consente agli scienziati di creare particelle ibride che sono parte atomo e parte luce, con un’ampia varietà di nuovi comportamenti.
La ricerca è parte di uno sforzo maggiore in collaborazione con il laboratorio del Prof. Jonathan Simon per abbattere i muri tra materia e luce, al fine di indagare le loro proprietà fondamentali. Oltre ad apprendere come i materiali si comportano a livello quantico, questo lavoro potrebbe un giorno contribuire a creare computer più potenti o comunicazioni quantistiche virtualmente “irraggiungibili“.
Un passo avanti nel far emergere la materia dalla luce è fare in modo che i singoli pacchetti di luce, chiamati fotoni, interagiscano l’uno con l’altro come fa la materia. (Normalmente i fotoni sfrecciano alla velocità della luce e non reagiscono affatto).
“Per fare in modo che i fotoni entrino in collisione tra loro, utilizziamo atomi come intermediari“, ha affermato il ricercatore Logan Clark, che ha guidato la ricerca. “Ma stavamo incontrando un problema perché i fotoni interagiscono solo con atomi i cui orbitali elettronici hanno energie molto particolari, quindi abbiamo chiesto: cosa accadrebbe se potessimo fare copie degli orbitali a qualunque energia avessimo voluto?”
Clark aveva già sviluppato tecniche per manipolare la materia quantistica scuotendola durante suo dottorato. Il giusto tipo di vibrazione produce naturalmente copie di stati quantici a più energie. “Avevamo sempre considerato le copie come un effetto collaterale piuttosto che come obiettivo“, ha detto, “ma questa volta abbiamo scosso i nostri elettroni con l’intento specifico di realizzare le copie“.
Variando l’intensità di un campo laser sintonizzato su una specifica risonanza atomica, il team è stato in grado di spostare gli orbitali di un elettrone. Agitando gli orbitali e variando periodicamente questa intensità sono riusciti a produrre le copie desiderate.
Ma questi doppelganger arrivano con un’importante fatto: “Mentre l’orbitale atomico appare a più energie distinte, è importante notare che queste copie sono effettivamente legate all’originale come pupazzi“, ha spiegato il ricercatore Nathan Schine, un coautore dello studio. “Quando una qualsiasi delle copie cambia, l’originale e tutte le altre copie cambiano con esso.”
Consentendo ai fotoni di interagire con questi atomi scossi, il team ha creato quelli che chiamano “Floquet polaritons“, quasi-particelle che sono parte-luce e parte-atomo che, a differenza dei normali fotoni, interagiscono tra loro in modo piuttosto forte. Queste interazioni sono essenziali per rendere la materia leggera. Fare polaritoni con atomi scossi può dare ai polaritoni molta più flessibilità per muoversi e scontrarsi in modi nuovi.
“I polaritoni di Floquet sono pieni di sorprese, ancora non li comprendiamo del tutto“, ha detto Clark. “La nostra prossima fase di lavoro, tuttavia, sarà quella di utilizzare questi fotoni in collisione per creare “fluidi topologici” di luce. È un momento tremendamente eccitante.”
Avere copie di uno stato atomico a più energie offre anche possibilità entusiasmanti per la conversione di frequenza ottica, uno strumento chiave nella creazione di metodi di comunicazione quantistica sicuri.
“Scuotere gli atomi non è solo molto divertente, ma può portare a scoprire una scienza davvero affascinante“, ha detto Clark.
Fonte: Logan W. Clark et al. Interacting Floquet polaritons, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1354-5
