Premio Hans Eggenberger 2019 a Ileana-Cristina Benea-Chelmus

Con la sua tesi di dottorato, Ileana-Cristina Benea-Chelmus ha dato un contributo significativo al campo dell'ottica quantistica terahertz, in cui si studiano i fenomeni ottici quantistici all'interfaccia tra elettronica e ottica. L'intervallo spettrale del terahertz comprende onde elettromagnetiche che oscillano molto più velocemente delle microonde ed è quindi di particolare interesse per le future tecnologie ultraveloci e per la ricerca sui fenomeni fondamentali in questo intervallo di frequenze. Tuttavia, il regime dell'ottica quantistica, in cui solo un piccolo numero di fotoni contribuisce a un effetto, è rimasto finora irraggiungibile per la radiazione terahertz.

Ileana-Cristina Benea-Chelmus e i suoi colleghi dell'ETH di Zurigo hanno ora colmato questa lacuna. Hanno migliorato in modo significativo la sensibilità e la risoluzione temporale delle misure nella gamma dei terahertz, consentendo così esperimenti fondamentalmente nuovi. In particolare, hanno caratterizzato per la prima volta il campo elettrico che oscilla nel vuoto dopo che tutti i fotoni sono stati rimossi da esso: le fluttuazioni di punto zero. Ciò ha richiesto la rilevazione di campi quantistici su scale temporali più brevi del loro ciclo di oscillazione e, allo stesso tempo, una sensibilità estremamente elevata ai campi elettrici. Il successo si è basato sull'ottimizzazione di tutti gli aspetti dell'esperimento: ottica non lineare, misure a basso rumore, funzionamento a temperature criogeniche, nanofabbricazione, automazione ed elaborazione di ampie serie di dati.

In termini concettuali, la tesi di dottorato segna l'inizio dell'indagine sulle correlazioni di campo quantistiche nel cosiddetto limite di Heisenberg - il limite fondamentale per l'accuratezza delle misure imposto dalla meccanica quantistica - su scale temporali e spaziali di sottociclo. I risultati forniscono intuizioni fondamentali sulla fisica delle fluttuazioni di campo nel vuoto. Le nuove conoscenze derivanti da questi studi potrebbero essere utilizzate in futuro per comprendere le correlazioni mediate dalle fluttuazioni del campo del vuoto tra sistemi fisici distanti come gli atomi o i sistemi quantistici artificiali.

Come in altri studi fondamentali, questa ricerca porta anche a sviluppi nelle applicazioni pratiche. Nuovi rivelatori che combinano molecole con proprietà ottiche fortemente non lineari e risonatori di terahertz su vetro e su una piattaforma di silicio mostrano una sensibilità senza precedenti. Con la crescente domanda di controllo coerente dei gradi di libertà fotonici ed elettronici con perdite minime, sarà presto essenziale raggiungere sensibilità di rilevamento corrispondenti a frazioni di singoli fotoni terahertz.

Oltre ad assegnare il Premio Hans Eggenberger 2019 a Ileana-Cristina Benea-Chelmus, la Fondazione Hans Eggenberger sosterrà anche la sua attuale ricerca. Nel marzo 2019, la Benea-Chelmus ha assunto una posizione di post-dottorato presso l'Università di Harvard, dove approfondirà le sue conoscenze e competenze nel campo della nano-ottica ad alta velocità e della fotonica del silicio. Le sue competenze rafforzeranno ulteriormente il suo profilo nel campo della ricerca fondamentale sui fenomeni quantistici subciclici e nello sviluppo di dispositivi pratici di fascia alta per applicazioni industriali.