I ricercatori dell’Università di Twente nei Paesi Bassi hanno acquisito importanti informazioni sui fotoni, le particelle elementari che compongono la luce. Si “comportano” in una varietà sorprendentemente maggiore rispetto agli elettroni che circondano gli atomi, ma sono anche molto più facili da controllare.
Fotoni: le particelle elementari che compongono la luce
Queste nuove intuizioni hanno ampie applicazioni dall’illuminazione LED intelligente ai nuovi bit di informazione fotonici controllati con circuiti quantistici, ai nanosensori sensibili. I loro risultati sono stati pubblicati su Physical Review B.
Negli atomi, minuscole particelle elementari chiamate elettroni occupano regioni attorno al nucleo in forme chiamate orbitali. Questi orbitali danno la probabilità di trovare un elettrone in una particolare regione dello spazio. La meccanica quantistica determina la forma e l’energia di questi orbitali. Similmente agli elettroni, i ricercatori descrivono la regione dello spazio in cui è più probabile trovare un fotone anche con orbitali.
ricercatori dell’Università di Twente hanno studiato questi orbitali fotonici e hanno scoperto che con un’attenta progettazione di materiali specifici, possono creare e controllare questi orbitali con una grande varietà di forme e simmetrie. Questi risultati hanno potenziali applicazioni nelle tecnologie ottiche avanzate e nel calcolo quantistico.
Il primo autore Kozon spiega: “Nella chimica dei libri di testo, gli elettroni orbitano sempre attorno al piccolo nucleo atomico al centro dell’orbitale. Quindi la forma di un orbitale elettronico non può discostarsi molto da una sfera perfetta. Con il fotone, gli orbitali possono avere qualsiasi forma selvaggia si progetti combinando diversi materiali ottici in disposizioni spaziali progettate”.
I ricercatori hanno condotto uno studio computazionale per comprendere come si comportano il fotone quando è confinato in una specifica nanostruttura 3D composta da minuscoli pori (un cristallo fotonico ). Queste cavità sono progettate intenzionalmente per avere difetti, creando una sovrastruttura che isola gli stati fotonici dall’ambiente circostante.
I fisici Vos e Lagendijk affermano: “Dato il ricco bagaglio di strumenti della nanotecnologia, è molto più facile progettare ingegnose nanostrutture con nuovi orbitali fotonici che modificare gli atomi per realizzare nuovi orbitali elettronici e una nuova chimica”.
Gli orbitali fotonici sono importanti per lo sviluppo di tecnologie ottiche avanzate, come l’illuminazione efficiente, il calcolo quantistico e i sensori fotonici sensibili. I ricercatori hanno anche studiato come queste nanostrutture migliorino la densità locale degli stati ottici, il che è importante per le applicazioni nell’elettrodinamica quantistica delle cavità .
Hanno scoperto che le strutture con difetti più piccoli rivelano un miglioramento maggiore rispetto a quelle con difetti più grandi. Ciò le rende più adatte all’integrazione di punti quantici e alla creazione di reti di singoli fotoni.
Nuovo dispositivo controlla con precisione l’emissione di fotoni per schermi portatili più efficienti
Di recente, un team di chimici, matematici, fisici e nano-ingegneri dell’Università di Twente nei Paesi Bassi ha sviluppato un dispositivo per controllare l’emissione di fotoni con una precisione senza precedenti. Questa tecnologia potrebbe portare a sorgenti luminose in miniatura più efficienti, sensori sensibili e bit quantici stabili per il calcolo quantistico.
La parte del tuo smartphone che consuma più energia è lo schermo. Ridurre qualsiasi energia indesiderata che fuoriesce dallo schermo aumenta la durata del nostro smartphone. Immagina che il tuo smartphone debba essere caricato solo una volta alla settimana. Tuttavia, per aumentare l’efficienza, devi essere in grado di emettere fotoni in modo più controllato.
I ricercatori hanno sviluppato la “MINT-toolbox”: un set di strumenti provenienti dalle discipline scientifiche di matematica, informatica, scienze naturali e tecnologia. In questa cassetta degli attrezzi, c’erano strumenti chimici avanzati. I più importanti erano i pennelli polimerici, piccole catene chimiche che possono trattenere le sorgenti di fotoni in un determinato punto.
Il primo autore Andreas Schulz spiega: “I pennelli polimerici sono innestati in soluzione da superfici porose all’interno di un cosiddetto cristallo fotonico fatto di silicio. Un esperimento piuttosto complicato. Quindi eravamo molto emozionati quando abbiamo visto in studi separati di imaging a raggi X che le sorgenti di fotoni erano posizionate nelle posizioni giuste sulla parte superiore dei pennelli”.
Aggiungendo strumenti nanofotonici, il team ha dimostrato che le sorgenti luminose eccitate vengono inibite di quasi 50 volte. In questa situazione, una sorgente luminosa rimane eccitata 50 volte più a lungo del solito. Lo spettro corrisponde molto bene a quello teorico calcolato con strumenti matematici avanzati. Il secondo autore Marek Kozoň afferma: “La teoria prevede luce zero poiché riguarda un cristallo fittizio infinitamente esteso. Nel nostro cristallo finito reale, la luce emessa è diversa da zero, ma così piccola che è un nuovo record mondiale “.
I nuovi risultati promettono una nuova era per laser e sorgenti luminose in miniatura efficienti, per qubit in circuiti fotonici con perturbazioni fortemente ridotte (dovute a fluttuazioni elusive del vuoto). Willem Vos afferma: “Il nostro multi-toolbox offre opportunità per applicazioni completamente nuove che traggono profitto da stati eccitati fortemente stabilizzati . Questi sono fondamentali per la fotochimica e potrebbero diventare nanosensori chimici sensibili”.
Molti fotoni sono meglio di uno solo per far progredire le tecnologie quantistiche
Gli oggetti quantistici, come elettroni e fotoni, si comportano in modo diverso dagli altri oggetti in modi che consentono la tecnologia quantistica. In ciò risiede la chiave per svelare il mistero dell’entanglement quantistico, in cui più fotoni esistono in più modalità o frequenze.
Nel perseguire le tecnologie quantistiche fotoniche, studi precedenti hanno stabilito l’utilità degli stati di Fock. Si tratta di stati multifotone e multimodali resi possibili dalla combinazione intelligente di un certo numero di input monofotonici utilizzando la cosiddetta ottica lineare. Tuttavia, alcuni stati quantistici essenziali e preziosi richiedono più di questo approccio fotone per fotone.
Ora, un team di ricercatori della Kyoto University e della Hiroshima University ha confermato teoricamente e sperimentalmente i vantaggi unici degli stati non-Fock, o iNFS, stati quantistici complessi che richiedono più di una singola sorgente di fotoni ed elementi ottici lineari. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science Advances.
“Abbiamo confermato con successo l’esistenza dell’iNFS utilizzando un circuito quantistico ottico con più fotoni”, afferma l’autore corrispondente Shigeki Takeuchi presso la Graduate School of Engineering.
“Il nostro studio porterà a innovazioni in applicazioni quali i computer quantistici ottici e la rilevazione quantistica ottica”, aggiunge il coautore Geobae Park.
Il fotone è un vettore promettente perché può essere trasmesso su lunghe distanze preservando il suo stato quantistico a temperatura ambiente costante. Sfruttando molti fotoni in più modalità si realizzerebbe la crittografia quantistica ottica a lunga distanza, il rilevamento quantistico ottico e il calcolo quantistico ottico.
“Abbiamo generato con grande impegno un tipo complesso di iNFS utilizzando il nostro circuito quantistico fotonico a trasformata di Fourier per manifestare due fotoni in tre percorsi diversi, che è il fenomeno di coerenza condizionale più difficile da ottenere”, spiega il coautore Ryo Okamoto.
Inoltre, questo studio ha confrontato un altro fenomeno con l’ entanglement quantistico ampiamente applicato , che appare e scompare semplicemente attraversando un singolo elemento ottico lineare. L’entanglement quantistico è uno stato quantistico con due o più stati correlati in una sovrapposizione tra due sistemi separati.
“Sorprendentemente, questo studio dimostra che le proprietà dell’iNFS non cambiano quando attraversa una rete di molti elementi ottici lineari, segnando un balzo in avanti nella tecnologia ottica quantistica “, osserva il coautore Holger F Hofmann dell’Università di Hiroshima.
Il team di Takeuchi ipotizza che l’iNFS presenti una coerenza condizionale, un fenomeno piuttosto misterioso, in cui la rilevazione di anche un solo fotone implica l’esistenza dei fotoni rimanenti in una sovrapposizione di più percorsi.
“La nostra prossima fase consisterà nel realizzare chip di circuiti ottici quantistici, multifotonici e multimodali su larga scala”, annuncia Takeuchi.
