È un assaggio della fantascienza realizzata: gli scienziati hanno creato una nuova forma di luce che un giorno potrebbe essere utilizzata per costruire cristalli di luce. Ma prima che gli aspiranti Jedis inizino a chiedere le loro sciabole, l'avanzamento è molto più probabile che conduca a nuovi modi intriganti di comunicazione e informatica, i ricercatori riportano questa settimana su Science .
La luce è composta da fotoni: veloci, piccoli pacchetti di energia. In genere, i fotoni non interagiscono affatto tra loro, motivo per cui quando si utilizzano le torce "non si vedono i raggi di luce rimbalzare l'uno dall'altro, li si vede attraversarsi", spiega Sergio Cantu, un Ph.D. candidato in fisica atomica presso il Massachusetts Institute of Technology. In nuovi esperimenti, tuttavia, i fisici hanno indotto i singoli fotoni ad accogliersi e collegarsi, in modo simile al modo in cui i singoli atomi si uniscono nelle molecole.
La danza dei fotoni avviene in un laboratorio del MIT in cui i fisici eseguono esperimenti da tavolo con i laser. Cantu, la sua collega Aditya Venkatramani, Ph.D. candidati in fisica atomica all'università di Harvard, ei loro collaboratori iniziano creando una nuvola di atomi di rubidio raffreddati. Il rubidio è un metallo alcalino, quindi in genere sembra un solido bianco-argento. Ma vaporizzare il rubidio con un laser e mantenerlo ultrafreddo crea una nuvola che i ricercatori contengono in una piccola provetta e magnetizzano. Ciò mantiene gli atomi di rubidio diffusi, lenti e in uno stato fortemente eccitato.
Quindi la squadra spara un laser debole sulla nuvola. Il laser è così debole che solo una manciata di fotoni entra nella nuvola, spiega un comunicato stampa del MIT. I fisici misurano i fotoni quando escono dall'altra parte della nuvola ed è allora che le cose diventano strane.
Normalmente i fotoni viaggerebbero alla velocità della luce, o quasi 300.000 chilometri al secondo. Ma mentre attraversano la nuvola, i fotoni si insinuano lungo 100.000 volte più lentamente del normale. Inoltre, invece di uscire casualmente dalla nuvola, i fotoni arrivano attraverso coppie o terzine. Queste coppie e terzine emettono anche una diversa firma energetica, uno sfasamento, che dice ai ricercatori che i fotoni stanno interagendo.
"Inizialmente, non era chiaro", afferma Venkatramani. Il team aveva già visto interagire due fotoni, ma non sapevano se le terzine fossero possibili. Dopotutto, spiega, una molecola di idrogeno è una disposizione stabile di due atomi di idrogeno, ma tre atomi di idrogeno non possono rimanere insieme per più di un milionesimo di secondo. "Non eravamo sicuri che tre fotoni sarebbero stati una molecola stabile o qualcosa che potremmo persino vedere", afferma.
Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che il raggruppamento di tre fotoni è ancora più stabile di due. "Più aggiungi, più sono fortemente legati", afferma Venkatramani.
Ma come si uniscono i fotoni? Il modello teorico dei fisici suggerisce che mentre un singolo fotone si muove attraverso la nuvola di rubidio, salta da un atomo all'altro, "come un'ape che fluttua tra i fiori", spiega il comunicato stampa. Un fotone può legarsi brevemente a un atomo, formando un fotone-atomo ibrido o un polaritone. Se due di questi polaritoni si incontrano nella nuvola, interagiscono. Quando raggiungono il bordo della nuvola, gli atomi rimangono indietro e i fotoni navigano in avanti, ancora legati insieme. Aggiungi più fotoni e lo stesso fenomeno dà origine a terzine.
"Ora che capiamo cosa rende attraenti le interazioni, puoi chiedere: puoi invece farle respingere a vicenda?" dice Cantu. Fondamentalmente, giocare con l'interazione potrebbe rivelare nuove intuizioni su come funziona l'energia o da dove viene, dice.
Ai fini dei progressi tecnologici, i fotoni uniti in questo modo possono trasportare informazioni, una qualità utile per il calcolo quantistico. E il calcolo quantistico potrebbe portare a codici non crackabili, orologi ultraprecisi, computer incredibilmente potenti e altro ancora. La cosa che è così attraente della codifica delle informazioni nei fotoni è che i fotoni possono trasportare le loro informazioni su distanze molto rapidamente. Già i fotoni velocizzano le nostre comunicazioni lungo le linee in fibra ottica. I fotoni rilegati o aggrovigliati potrebbero trasmettere informazioni quantistiche complesse quasi istantaneamente.
Il team prevede di controllare le interazioni attraenti e repulsive dei fotoni in modo tale da poter disporre i fotoni in strutture prevedibili che si tengono insieme come cristalli. Alcuni fotoni si respingono a vicenda, allontanandosi fino a trovare il proprio spazio, mentre altri mantengono la formazione più ampia e impediscono a quelli che respingono di disperdersi. La loro disposizione modellata sarebbe un cristallo chiaro. In un cristallo di luce, "se sai dove si trova un fotone, allora sai dove si trovano gli altri dietro di esso, a intervalli regolari", dice Venkatramani. "Questo potrebbe essere molto utile se si desidera avere una comunicazione quantistica a intervalli regolari."
Il futuro che tali cristalli potrebbero consentire potrebbe sembrare più nebuloso di quello in cui le persone combattono con le spade laser, ma potrebbe contenere progressi ancora più impressionanti e ancora non immaginati.
Nota del redattore: questa storia è stata corretta per riflettere che i fotoni, non gli atomi, entrano nella nuvola di rubidio e la loro velocità rallenta mentre passano attraverso.
