Campi magnetici artificiali per i fotoni

Nella moderna tecnologia dell'informazione esiste una chiara divisione del lavoro tra le particelle luminose (fotoni), che vengono utilizzate per trasmettere dati in modo rapido e affidabile su lunghe distanze, e gli elettroni, che vengono utilizzati per l'elaborazione dei dati nei chip dei computer. Uno dei motivi per cui i fotoni non vengono utilizzati per l'elaborazione dei dati è che non sono facili da controllare come gli elettroni. Non avendo carica elettrica, non possono essere facilmente controllati con campi elettrici o magnetici. I ricercatori dell'ETH, guidati da Ataç Imamoğlu, professore dell'Istituto di Elettronica Quantistica, hanno ora dimostrato in un esperimento come sia possibile generare campi magnetici artificiali e controllare i fotoni in modo indiretto.

Polaritoni come bagagli in viaggio

Sebbene sia impossibile conferire ai fotoni una vera e propria carica elettrica, è possibile farli sembrare tali. Da alcuni anni, ad esempio, i ricercatori stanno sviluppando materiali le cui proprietà ottiche sono progettate in fase di produzione in modo tale che i fotoni in essi contenuti si muovano come se "sentissero" un campo elettrico o magnetico. Lo svantaggio di questa tecnica, tuttavia, è che i campi artificiali così creati non possono essere modificati, o almeno non molto rapidamente. Tuttavia, ciò sarebbe necessario se i fotoni dovessero essere utilizzati per costruire computer o altri componenti della tecnologia dell'informazione.

Il nostro approccio non si basa su una struttura sofisticata del materiale ottico", spiega Emre Togan, assistente in capo del gruppo di ricerca di Imamoğlu, "ma sull'uso dei cosiddetti polaritoni"."Quando i fotoni penetrano in un materiale i cui elettroni possono essere spostati o "polarizzati" dalle onde luminose (un cosiddetto materiale dielettrico), formano polaritoni, ossia onde luminose e di polarizzazione accoppiate. Questi ultimi sono noti anche come eccitoni, in cui un elettrone e un "buco", cioè un elettrone mancante nella struttura energetica, sono legati l'uno all'altro dalla forza di attrazione elettrica.

I fotoni, che si propagherebbero liberamente nel vuoto, vengono convertiti in polaritoni e trascinano dietro di sé gli eccitoni mentre si muovono attraverso il semiconduttore. I fotoni, che in realtà sono insensibili ai campi elettromagnetici, possono ora essere influenzati indirettamente attraverso questo bagaglio viaggiante esponendo il materiale semiconduttore utilizzato da Imamoğlu a campi elettrici e magnetici.

Potenziale di calibrazione costante

"L'effetto combinato dei campi elettrici e magnetici sui polaritoni porta poi a un cosiddetto potenziale di calibro", riassume Hyang-Tag Lim, che lavora come ricercatore post-dottorando nel laboratorio di Imamoğlu. Tale potenziale di calibrazione può essere paragonato a una piattaforma di sollevamento inclinabile. Se si posiziona un veicolo su una piattaforma di questo tipo e la si solleva, l'energia potenziale (cioè l'altezza) del veicolo cambia, ma il veicolo non rotola via. Solo quando la piattaforma viene inclinata, creando una differenza di altezza lungo la piattaforma, il veicolo si muove. Allo stesso modo, un potenziale di calibrazione forma un campo magnetico effettivo solo quando cambia spazialmente.

Nel loro esperimento, ora pubblicato sulla rivista Nature Communications, Imamoğlu e i suoi collaboratori sono riusciti a generare un potenziale di calibrazione costante per i fotoni in una prima fase. Per dimostrare questo potenziale, i ricercatori hanno costruito un interferometro in miniatura. In un interferometro, la luce viene prima divisa in due fasci, che poi si propagano, ad esempio, in materiali diversi. I fasci vengono poi riavvicinati e l'interferenza risultante - cioè le creste e le depressioni delle onde che si annullano a vicenda, ma due creste d'onda che si scontrano si amplificano a vicenda - viene misurata all'uscita dell'interferometro.

Dal modello di interferenza risultante, i fisici sono stati in grado di concludere che un potenziale di calibrazione stava effettivamente agendo sui fotoni nel materiale semiconduttore. "Il bello è che possiamo controllare questo potenziale di calibrazione a piacimento usando i campi", dice Imamoğlu. Sebbene i ricercatori dell'ETH abbiano utilizzato fotoni in un materiale semiconduttore, il metodo che hanno dimostrato è molto generale. Può essere applicato a qualsiasi sistema in cui i fotoni sono fortemente accoppiati a un mezzo polarizzabile, come un gas di atomi Rydberg.

Nel prossimo futuro, i ricercatori intendono lavorare per realizzare potenziali di calibrazione ancora più forti, che variano spazialmente e che potrebbero essere utilizzati per generare in futuro campi magnetici artificiali molto grandi per i fotoni. Questo potrebbe poi essere utilizzato per studiare con i fotoni fenomeni che di solito possono essere osservati solo con gli elettroni sotto l'influenza di forti campi magnetici, come l'effetto Hall quantistico.