TRE FISICI DELL’UNIVERSITÀ DI BONN CREANO GAS DA COMPRIMERE E APRONO STRADA A NUOVE TIPOLOGIE DI SENSORI

Tre ricercatori dell’Università di Bonn, Leon Espert Miranda, Julian Schmitt e Erik Busley, hanno creato un gas di particelle leggere che può essere estremamente compresso. I loro risultati confermano le previsioni delle teorie centrali della fisica quantistica. I risultati potrebbero anche indicare la strada verso nuovi tipi di sensori in grado di misurare forze minime. Lo studio è pubblicato sulla rivista Science. Se si collega l’uscita di una pompa ad aria con un dito, è comunque possibile spingere il pistone verso il basso. Il motivo: i gas sono abbastanza facili da comprimere, a differenza dei liquidi, ad esempio. Se la pompa contenesse acqua anziché aria, sarebbe sostanzialmente impossibile muovere il pistone, anche con il massimo sforzo.

I gas di solito sono costituiti da atomi o molecole che vorticano più o meno rapidamente nello spazio. È abbastanza simile con la luce: i suoi elementi costitutivi più piccoli sono i fotoni, che in un certo senso si comportano come particelle. E questi fotoni possono anche essere trattati come un gas, tuttavia, uno che si comporta in modo alquanto insolito: puoi comprimerlo in determinate condizioni quasi senza sforzo. Almeno questo è ciò che la teoria prevede.

Fotoni nella scatola dello specchio

I ricercatori dell’Istituto di Fisica Applicata (IAP) dell’Università di Bonn hanno ora dimostrato per la prima volta questo effetto negli esperimenti. “Per fare questo, abbiamo immagazzinato le particelle di luce in una minuscola scatola fatta di specchi”, spiega il dottor Julian Schmitt dell’IAP, che è uno dei principali ricercatori nel gruppo del professor Martin Weitz. “Più fotoni mettiamo lì dentro, più denso diventa il gas del fotone”.

La regola di solito è: più un gas è denso, più difficile è comprimerlo. Questo è anche il caso della pompa dell’aria otturata: all’inizio il pistone può essere spinto verso il basso molto facilmente, ma a un certo punto difficilmente può essere spostato ulteriormente, anche quando si applica molta forza. Gli esperimenti di Bonn erano inizialmente simili: più fotoni mettevano nella scatola dello specchio, più diventava difficile comprimere il gas.

Tuttavia, il comportamento è cambiato bruscamente a un certo punto: non appena il gas del fotone ha superato una densità specifica, potrebbe essere improvvisamente compresso senza quasi nessuna resistenza. “Questo effetto deriva dalle regole della meccanica quantistica”, spiega Schmitt, che è anche membro associato del Cluster of Excellence “Matter and Light for Quantum Computing” e project leader nel Transregio Collaborative Research Center 185. Il motivo: la luce le particelle mostrano una “sfocatura” – in termini semplici, la loro posizione è alquanto sfocata. Man mano che si avvicinano molto l’uno all’altro ad alta densità, i fotoni iniziano a sovrapporsi. I fisici parlano poi anche di una “degenerazione quantistica” del gas. E diventa molto più facile comprimere un tale gas quantistico degenerato.

Fotoni auto-organizzati

Se la sovrapposizione è abbastanza forte, le particelle di luce si fondono per formare una specie di super-fotone, un condensato di Bose-Einstein. In termini molto semplificati, questo processo può essere paragonato al congelamento dell’acqua: allo stato liquido, le molecole d’acqua sono disordinate; quindi, al punto di congelamento, si formano i primi cristalli di ghiaccio, che alla fine si fondono in uno strato di ghiaccio esteso e altamente ordinato. Le “isole dell’ordine” si formano anche poco prima della formazione del condensato di Bose-Einstein e diventano sempre più grandi con l’ulteriore aggiunta di fotoni. Il condensato si forma solo quando queste isole sono cresciute così tanto che l’ordine si estende sull’intera scatola dello specchio contenente i fotoni. Questo può essere paragonato a un lago su cui banchi di ghiaccio indipendenti si sono finalmente uniti per formare una superficie uniforme. Naturalmente, ciò richiede un numero molto maggiore di particelle di luce in una scatola estesa rispetto a una piccola. “Siamo stati in grado di dimostrare questa relazione nei nostri esperimenti”, sottolinea Schmitt.

Per creare un gas con numero di particelle variabile e temperatura ben definita, i ricercatori utilizzano un “bagno di calore”: “Inseriamo molecole nella scatola dello specchio in grado di assorbire i fotoni”, spiega Schmitt. “Successivamente, emettono nuovi fotoni che in media possiedono la temperatura delle molecole – nel nostro caso, poco meno di 300 Kelvin, che è circa la temperatura ambiente”. I ricercatori hanno dovuto superare anche un altro ostacolo: i gas fotonici di solito non sono uniformemente densi – ci sono molte più particelle in alcuni punti che in altri. Ciò è dovuto alla forma della trappola in cui sono solitamente contenuti. “Abbiamo adottato un approccio diverso nei nostri esperimenti”, afferma Erik Busley, primo autore della pubblicazione. “Catturiamo i fotoni in una scatola a specchio a fondo piatto che abbiamo creato utilizzando un metodo di microstrutturazione. Questo ci ha permesso di creare per la prima volta un gas quantistico omogeneo di fotoni”. In futuro, la comprimibilità quantistica del gas consentirà la ricerca su nuovi sensori in grado di misurare minuscole forze. Oltre alle prospettive tecnologiche, i risultati sono di grande interesse anche per la ricerca fondamentale.

Com’è stato finanziato lo studio

Lo studio è stato sostenuto dalla German Research Foundation (DFG) all’interno del centro di ricerca collaborativo TRR 185 “OSCAR – Open System Control of Atomic and Photonic Matter” e dal cluster di eccellenza “Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q)“, e da l’Unione Europea nell’ambito del progetto di punta quantistica “PhoQuS – Photons for Quantum Simulation”.