Creare un supersolido con la luce per la prima volta al mondo
I ricercatori sostenuti dai progetti Q-ONE e PolArt, finanziati dall’UE, sono riusciti per la prima volta a far comportare la luce come un supersolido. Questo straordinario risultato potrebbe aprire la strada a una migliore comprensione della strana fase quantistica della materia chiamata supersolidità e aprire le porte a molte nuove applicazioni, come i computer quantistici e i superconduttori. In uno stato supersolido, le particelle sono disposte in una struttura cristallina ordinata, ma possono anche fluire liberamente come un liquido non viscoso. Gli scienziati sono riusciti a produrre prove sperimentali convincenti di questo stato solo nel 2017. Ora, nel loro studio pubblicato sulla rivista «Nature», alcuni ricercatori di Austria, Italia e Stati Uniti hanno compiuto un ulteriore passo avanti trasformando la luce vera e propria in un supersolido. «Questo è solo il primo passo verso la comprensione della supersolidità», affermano due coautori dello studio, i fisici italiani Antonio Gianfrate dell’Istituto CNR-NANOTEC del Consiglio Nazionale delle Ricerche e Davide Nigro dell’Università di Pavia, in un recente articolo pubblicato su «Newsweek». Il CNR-NANOTEC è l’istituto di nanotecnologie del Consiglio Nazionale delle Ricerche italiano, coordinatore del progetto Q-ONE e partner di PolArt.
L’emergere dell’esotico
Fasi della materia come i supersolidi si formano solitamente a temperature estremamente basse, prossime allo zero assoluto (-273,15 ℃). Secondo i ricercatori, sono queste le temperature a cui «emerge la natura quantomeccanica degli atomi e appaiono fasi esotiche della materia». La potenziale esistenza di tali fasi esotiche ha ispirato i fisici a sperimentare con i fotoni. Per creare il loro supersolido, il team di ricerca ha diretto un raggio laser su una piattaforma fotonica semiconduttrice realizzata in arseniuro di gallio e alluminio, in cui i fotoni vengono condotti come elettroni. Il loro sistema si basa sulla formazione di quasi-particelle bosoniche chiamate «polaritoni», create dall’accoppiamento dei fotoni con eccitoni attraverso forti interazioni elettromagnetiche. In questo sistema, i fotoni possono occupare uno dei tre stati quantici, tutti con la stessa energia ma con numeri d’onda diversi. Inizialmente, i pochi fotoni presenti nella piattaforma semiconduttrice hanno frequenze e lunghezze d’onda diverse e sfasate tra loro. Tuttavia, una volta raggiunto un numero limite, formano un unico condensato di polaritoni allo stato energetico più basso possibile. In «Newsweek», Gianfrate e Nigro paragonano la situazione a un teatro affollato dove solo tre posti in prima fila sono liberi: uno al centro e due alle estremità della fila. «Il posto centrale offre la vista migliore, quindi è quello che tutti vogliono, ma può sedersi solo una persona», spiegano. «In un teatro quantistico... tutti possono sedersi al posto centrale, formando quello che viene chiamato condensato di Bose-Einstein, uno stato superfluido in cui una grande parte delle particelle occupa simultaneamente lo stato quantistico con la più bassa energia.» Quando il numero di fotoni nel posto centrale raggiunge una certa soglia, coppie di fotoni vengono spinte negli altri due posti (gli stati adiacenti), per abbassare l’energia del sistema. «Questi fotoni formano condensati satellite che hanno numeri d’onda opposti diversi da zero ma la stessa energia (sono isoenergetici)», commentano i ricercatori, sottolineando che è così che emerge lo stato supersolido. Il progetto Q-ONE (Quantum Optical Networks based on Exciton-polaritons) terminerà nel 2027. PolArt (Neuromorphic Polariton Accelerator) terminerà nel 2028. Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto Q-ONE sito web del progetto PolArt
Parole chiave
Q-ONE, PolArt, fotone, luce, polaritone, supersolido, quantico, stato, energia, particella, semiconduttore
