LO STUDIO PUBBLICATO OGGI SU SCIENCE

Un “gas di fotoni” compresso oltre ogni limite

Continuate a comprimere un gas di fotoni e otterrete, improvvisamente, un condensato di Bose-Einstein: uno stato della materia in cui tutti i fotoni si comportano come un unico super-fotone. È la conferma sperimentale di una teoria fisica a lungo dibattuta, e può avere applicazioni pratiche nell'ideazione di particolari sensori ultra sensibili

     24/03/2022
Social buttons need cookies

Il microresonatore ottico utilizzato nello studio per creare una “scatola di fotoni”. Crediti: Volker Lannert/Università di Bonn

Un gas di fotoni intrappolati fra due specchi, talmente compresso da rendere visibile la propria natura quantistica cambiando improvvisamente comportamento. È successo nei laboratori dell’Università di Bonn, e i fisici che l’hanno osservato ne hanno scritto un articolo pubblicato oggi su Science.

Ci sono diverse cose da spiegare ed esplicitare, nella prima frase di questo articolo. Cominciamo dalle prime parole: che significa gas di fotoni e come si fa ad intrappolare la luce? I fotoni sono le particelle quantistiche fondamentali che costituiscono il campo elettromagnetico – o più banalmente la luce che vediamo. Sono particelle prive di massa che viaggiano alla velocità – appunto – della luce e possono essere intrappolate tra due specchi altamente riflettenti, che le fanno rimbalzare avanti e indietro molte volte. Se gli specchi sono disposti in modo da formare una superficie riflettente di forma quadrata, poi, si può pensare di intrappolare un “gas uniforme di luce” in una scatola. Il gas di fotoni in una cavità del genere può essere creato dalla fluorescenza di molecole di colorante poste tra gli specchi. È esattamente il setup sperimentale ideato dagli autori di questo studio, in cui i fotoni venivano fatti rimbalzare – fra una superficie e l’altra – fino a 100 mila volte.

«La realizzazione di campioni di gas uniformi è sempre affascinante per i fisici, perché tali sistemi “modello” si comportano nello stesso modo in ogni posizione, distinguendosi nettamente da campioni con densità disomogenee», spiega a Media Inaf uno degli autori dell’articolo, Julian Schmitt, ricercatore all’Università di Bonn. «Grazie a ciò, si possono quindi sondare le proprietà del mezzo gassoso in modo sistematico, per esempio su grandi distanze».

Una delle proprietà di cui parla Schmitt è la compressibilità, una grandezza che dice quanto è facile comprimere un gas quando si applica una forza. Se tale gas mostra un comportamento quantico (a densità molto grandi o a temperature molto basse) la sua compressibilità può cambiare drasticamente e repentinamente, diventando estremamente grande. Questo è esattamente quanto è stato osservato nel gas di fotoni dello studio.

Parlando di compressione, comunque, e lasciando per un istante da parte la fisica quantistica, la regola generale è: più un gas è denso e più è difficile da comprimere. Pensiamo a una pompa d’aria in cui l’uscita viene tappata: all’inizio il pistone può essere spinto giù molto facilmente, ma a un certo punto – per quanto ci sforziamo di premere – non può più essere spostato. Negli esperimenti condotti a Bonn con i fotoni, la situazione era inizialmente molto simile: più fotoni si mettevano nella scatola a specchio, e quindi più aumentava la densità del gas di fotoni, più difficile diventava comprimerlo. Raggiunto un determinato valore di densità, però, il comportamento dei fotoni è cambiato bruscamente e il gas ha smesso di opporre resistenza alla compressione.

Leon Espert Miranda, Julian Schmitt ed Erik Busley. Crediti:Volker Lannert/Università di Bonn

Quel che è successo è che a quei valori estremamente elevati di densità i fotoni, che continuavano ad avvicinarsi molto gli uni agli altri, hanno cominciato a sovrapporsi. I fisici definiscono questa condizione “degenerazione quantistica” del gas. Se la sovrapposizione è abbastanza forte, le particelle di luce si fondono per formare una specie di “super-fotone” – che in gergo viene chiamato un condensato di Bose-Einstein. Si tratta di uno stato quantistico macroscopico che si viene a creare in un gas di bosoni (in fisica si chiamano così le particelle con spin intero, fra cui i fotoni) che si forma quando il gas è raffreddato a temperature molto basse o, viceversa, quando ha una densità estremamente alta. Nel condensato di Bose-Einstein, tutte le particelle formano un’onda di materia quantistica collettiva, il che significa che sono indistinguibili e si comportano collettivamente come una sola particella.

«I risultati confermano le previsioni della teoria quantistica e dimostrano che un gas quantistico di luce altamente comprimibile è effettivamente una realtà fisica e non solo una fantasia patologica», commenta Schmitt. «In passato, infatti, l’esistenza di un tale stato altamente comprimibile e non interattivo è stata una questione a lungo dibattuta».

Un gas altamente comprimibile, spiega il ricercatore, reagisce molto sensibilmente a piccole perturbazioni (come ad esempio l’applicazione di forze esterne), e ha quindi una concreta prospettiva di impiego nell’ideazione di nuovi tipi di sensori potenziati dal punto di vista quantistico, utili a misurare forze piccolissime.

Per saperne di più: