Stati esotici di luce e materia

I componenti che il gruppo del professor Atac Imamoglu dell'ETH sta sperimentando insieme a Werner Wegscheider del Laboratorio di fisica dello stato solido sono larghi circa un centimetro ma spessi solo mezzo millimetro. Ancora più sottile, solo 10 miliardesimi di metro di altezza, è la parte che interessa davvero ai ricercatori: Tra i piccoli specchi si trova uno speciale strato di materiale semiconduttore, l'arseniuro di gallio, che è stato preparato in modo tale che gli elettroni in esso contenuti possano muoversi solo in due dimensioni, come un cosiddetto gas di elettroni bidimensionale. "In questo modo stiamo unendo due aree di ricerca che in precedenza erano state studiate solo separatamente", spiega Imamoglu, responsabile dell'ETH Institute of Quantum Photonics.

Gli specchi formano un microresonatore in cui vengono intrappolati fotoni con una specifica lunghezza d'onda. Tali gabbie di luce sono utilizzate nell'ottica quantistica. I fisici dello stato solido, invece, utilizzano gas di elettroni bidimensionali per studiare gli stati esotici della materia. "In breve, abbiamo utilizzato le tecniche dell'ottica quantistica per studiare sistemi allo stato solido che interagiscono fortemente tra loro", riassume Imamoglu.

Nei precedenti esperimenti di ottica quantistica, la fisica ha utilizzato semiconduttori puri in cui l'eccitazione produce un tipo di quasiparticella chiamata eccitone. In un microresonatore, questi eccitoni interagiscono fortemente con i fotoni per formare nuove quasiparticelle, che sono una miscela di materia e luce - i cosiddetti polaritoni. "Invece del semiconduttore puro, abbiamo utilizzato il nostro gas di elettroni bidimensionale", spiega Imamoglu. A differenza del semiconduttore tridimensionale convenzionale, gli elettroni del gas bidimensionale non solo hanno un'elevata mobilità, ma interagiscono anche tra loro, cioè sono fortemente correlati.

Superposizioni come il gatto di Schr?dinger

A temperature estremamente basse, appena 0,2 gradi sopra lo zero assoluto, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio per osservare cosa succede ai polaritoni bidimensionali e al gas di elettroni fortemente correlati nel loro campione. La fisica ha ottenuto risultati sorprendenti, ora pubblicati online sulla rivista "Science". Le eccitazioni elementari del sistema sono sovrapposizioni di due stati a molti corpi molto diversi tra loro, tanto da escludersi a vicenda, come nel famoso esperimento paradossale di Erwin Schr?dinger su un gatto.

Finora nessun modello teorico è in grado di spiegare questi nuovi stati a molti corpi osservati nel campione analizzato. Tuttavia, c'è una possibile applicazione molto interessante per questi stati di sovrapposizione, dice Imamoglu. Mentre i fotoni normalmente non si influenzano a vicenda, possono interagire fortemente l'uno con l'altro in determinate condizioni nel set-up sperimentale scelto. "Questo è il Santo Graal della ricerca sull'ottica quantistica", afferma l'ETH. Questo potrebbe forse portare un giorno allo sviluppo di un computer quantistico che non si basa su qubit basati su spin o superconduttori, ma su fotoni interagenti. "Ma questo campo di ricerca è ancora agli inizi", spiega Imamoglu.

Il lavoro è stato svolto nell'ambito del Centro nazionale di competenza per la ricerca QSIT.