Repulsione tra particelle di luce

Conversione in polaritoni

"I fotoni fortemente interagenti sono qualcosa come il Santo Graal nel nostro campo, la fotonica", spiega Aymeric Delteil, che lavora come ricercatore post-dottorando nel laboratorio di Imamo?lu. Tuttavia, lui e i suoi colleghi devono fare un certo sforzo per far sì che le particelle di luce si respingano a vicenda. Utilizzando una fibra ottica, dirigono brevi impulsi laser in un risonatore ottico, in cui la luce colpisce un materiale semiconduttore in modo altamente focalizzato. Questo materiale (prodotto dai colleghi di Imamo?lu a Würzburg e St. Andrew in Scozia) viene raffreddato a meno 269 gradi Celsius in un criostato - un frigorifero estremamente potente. A queste basse temperature, i fotoni possono combinarsi con le eccitazioni elettroniche del materiale. Questa combinazione crea i cosiddetti polaritoni. All'altra estremità del materiale, questi si trasformano nuovamente in fotoni, che lasciano il risonatore.

Poiché le forze elettromagnetiche agiscono tra le eccitazioni elettroniche, si verifica un'interazione anche tra i polaritoni. "Siamo stati in grado di dimostrare questo fenomeno in precedenza", afferma Imamo?lu. "Tuttavia, allora l'effetto era ancora così debole che solo le interazioni di molti polaritoni giocavano un ruolo, ma non la repulsione a coppie tra due singoli polaritoni".

Le correlazioni segnalano l'interazione

Con il nuovo esperimento, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che i singoli polaritoni - e quindi indirettamente i fotoni che contengono - interagiscono effettivamente tra loro. Ciò si può riconoscere dal modo in cui i fotoni che emergono dal risonatore sono correlati tra loro. Per determinare questa cosiddetta correlazione quantistica, si misura la probabilità che un secondo fotone emerga dal risonatore a breve distanza. Se i fotoni si ostacolano l'un l'altro, chi sono i loro polaritoni nel semiconduttore, questa probabilità è inferiore a quella che ci si aspetterebbe da fotoni che non interagiscono tra loro.

In casi estremi, dovrebbe addirittura verificarsi un "blocco di fotoni", un effetto che Imamo?lu ha postulato 20 anni fa: Un fotone nel materiale semiconduttore che ha formato un polaritone impedisce completamente a un altro fotone di penetrare nel materiale e diventare anch'esso un polaritone. "Tuttavia, siamo ancora lontani dal raggiungere questo obiettivo", ammette Imamo?lu, "ma ora abbiamo migliorato il risultato appena pubblicato. L'obiettivo a lungo termine di Imamo?lu è far interagire i fotoni in modo così forte da farli comportare come fermioni, ovvero come particelle quantistiche che non possono mai stare nello stesso posto.

Interesse per i polaritoni fortemente interagenti

Imamo?lu non è inizialmente interessato alle applicazioni. "Si tratta di ricerca fondamentale", afferma. "Ma speriamo di riuscire a creare polaritoni che interagiscano così fortemente da poterli usare per studiare nuovi effetti fisici quantistici altrimenti difficili da osservare". Il fisico è particolarmente interessato a situazioni in cui i polaritoni siano anche in contatto con il loro ambiente e scambino energia con esso. Secondo i calcoli della fisica teorica, questo scambio di energia, combinato con le forti interazioni dei polaritoni, dovrebbe portare a fenomeni che finora possono essere spiegati solo parzialmente. Esperimenti come quelli condotti da Imamo?lu potrebbero quindi aiutare a comprendere meglio i modelli teorici.