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I ricercatori sviluppano un processo unico per la produzione di miscele di materia e luce.

Fori anulari in una sottile pellicola d’oro riempita di biossido di silicio consentono un accoppiamento ultracorretto tra la luce e le vibrazioni atomiche. Questa struttura offre opportunità per sondare molecole che interagiscono con le fluttuazioni del vuoto quantistico e sviluppare nuovi dispositivi optoelettronici. Credito: Oh Group, University of Minnesota

In una nuova ricerca rivoluzionaria, un team internazionale di ricercatori guidati dall’Università del Minnesota Twin Cities ha sviluppato un processo unico per produrre uno stato quantico che è in parte luce e in parte materia.

La scoperta fornisce nuove informazioni fondamentali per sviluppare in modo più efficiente la prossima generazione di dispositivi ottici ed elettronici basati su quantum. La ricerca potrebbe anche avere un impatto sull’aumento dell’efficienza delle reazioni chimiche su scala nanometrica.

La ricerca è pubblicata su Nature Photonics .

La scienza quantistica studia i fenomeni naturali della luce e della materia alle scale più piccole. In questo studio, i ricercatori hanno sviluppato un processo unico in cui hanno ottenuto un “accoppiamento ultraconfortevole” tra luce infrarossa (fotoni) e materia (vibrazioni atomiche) intrappolando la luce in minuscoli fori anulari in un sottile strato d’oro. Questi fori erano piccoli quanto due nanometri, o circa 25.000 volte più piccoli della larghezza di un capello umano.

Queste nanocavità, simili a una versione molto ridotta dei cavi coassiali utilizzati per inviare segnali elettrici (come il cavo che entra nella TV), erano riempite di biossido di silicio, che è essenzialmente lo stesso del vetro della finestra. Metodi di fabbricazione unici, basati su tecniche sviluppate nell’industria dei chip per computer, rendono possibile la produzione simultanea di milioni di queste cavità, esibendo tutte simultaneamente questo accoppiamento ultra-forte tra fotone e vibrazione .

“Altri hanno studiato un forte accoppiamento di luce e materia, ma con questo nuovo processo per progettare una versione nanometrica di cavi coassiali, stiamo spingendo le frontiere dell’accoppiamento ultrastrong, il che significa che stiamo scoprendo nuovi stati quantistici in cui materia e luce possono avere molto proprietà diverse e cose insolite iniziano ad accadere “, ha detto Sang-Hyun Oh, professore di ingegneria elettrica e informatica dell’Università del Minnesota e autore senior dello studio. “Questo accoppiamento ultrarapido di luce e vibrazioni atomiche apre tutti i tipi di possibilità per lo sviluppo di nuovi dispositivi quantistici o per modificare le reazioni chimiche”.

L’interazione tra luce e materia è fondamentale per la vita sulla terra: consente alle piante di convertire la luce solare in energia e ci permette di vedere gli oggetti intorno a noi. La luce infrarossa, con lunghezze d’onda molto più lunghe di quanto possiamo vedere con i nostri occhi, interagisce con le vibrazioni degli atomi nei materiali. Ad esempio, quando un oggetto viene riscaldato, gli atomi che lo compongono iniziano a vibrare più velocemente, emettendo più radiazioni infrarosse, consentendo telecamere di imaging termico o di visione notturna.

Al contrario, le lunghezze d’onda della radiazione infrarossa che vengono assorbite dai materiali dipendono dal tipo di atomi che compongono i materiali e da come sono disposti, in modo che i chimici possano utilizzare l’assorbimento degli infrarossi come “impronta digitale” per identificare diverse sostanze chimiche.

Queste e altre applicazioni possono essere migliorate aumentando la forza con cui la luce infrarossa interagisce con le vibrazioni atomiche nei materiali. Questo, a sua volta, può essere ottenuto intrappolando la luce in un piccolo volume che contiene i materiali. Intrappolare la luce può essere semplice come farla riflettere avanti e indietro tra una coppia di specchi, ma si possono realizzare interazioni molto più forti se si utilizzano strutture metalliche su scala nanometrica, o “ nanocavità ”, per confinare la luce su scale di lunghezza ultra-piccole .

Quando ciò accade, le interazioni possono essere abbastanza forti da far entrare in gioco la natura quantistica-meccanica della luce e delle vibrazioni. In tali condizioni, l’energia assorbita viene trasferita avanti e indietro tra la luce (fotoni) nelle nanocavità e le vibrazioni atomiche (fononi) nel materiale ad una velocità abbastanza rapida da non poter più distinguere il fotone luminoso e il fonone materia. In tali condizioni, questi modi fortemente accoppiati danno luogo a nuovi oggetti quantomeccanici che sono in parte luce e in parte vibrazione allo stesso tempo, noti come polaritoni.

Più forte diventa l’interazione, più strani saranno gli effetti quantomeccanici che possono verificarsi. Se l’interazione diventa abbastanza forte, potrebbe essere possibile creare fotoni dal vuoto o far procedere le reazioni chimiche in modi altrimenti impossibili.

“È affascinante che, in questo regime di accoppiamento, il vuoto non sia vuoto. Invece, contiene fotoni con lunghezze d’onda determinate dalle vibrazioni molecolari. Inoltre, questi fotoni sono estremamente limitati e sono condivisi da un numero esiguo di molecole”, ha detto il professor Luis Martin-Moreno presso l’Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) in Spagna, un altro autore dell’articolo.

“Normalmente, pensiamo al vuoto praticamente come nulla, ma risulta che questa fluttuazione del vuoto esiste sempre”, ha detto Oh. “Questo è un passo importante per sfruttare effettivamente questa cosiddetta fluttuazione di energia zero per fare qualcosa di utile”.

 

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