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Che forma sono i fotoni? L’olografia quantistica fa luce

Posted on 24 Nov, 2019 | 0 comments


Tratto da https://cosmosmagazine.com/physics/what-shape-is-a-photon

20 July 2016

I fisici hanno creato un ologramma di una singola particella di luce, un’impresa precedentemente ritenuta impossibile. Riferisce Cathal O’Connell.

Ologramma di un singolo fotone ricostruito da misure grezze (a sinistra) e teoricamente previsto (a destra).

Immagina un raggio di luce solare gialla che irradia attraverso una finestra. La fisica quantistica ci dice che il raggio è fatto di miliardi di minuscoli pacchetti di luce, chiamati fotoni, che scorrono nell’aria. Ma che aspetto ha un singolo fotone? Ha una forma? Queste domande sono anche significative?

Ora, i fisici polacchi hanno creato il primo ologramma in assoluto di una singola particella di luce. L’impresa, ottenuta osservando l’interferenza di due fasci di luce che si intersecano, è una visione importante della natura quantistica fondamentale della luce.

Il risultato potrebbe anche essere importante per le tecnologie che richiedono una comprensione della forma dei singoli fotoni, come la comunicazione quantistica e i computer quantistici.

“Abbiamo eseguito un esperimento relativamente semplice per misurare e visualizzare qualcosa di incredibilmente difficile da osservare: la forma dei fronti d’onda di un singolo fotone”, afferma Radoslaw Chrapkiewicz, un fisico dell’Università di Varsavia e autore principale del nuovo documento, pubblicato su Nature Photonics .

Per centinaia di anni, i fisici hanno lavorato per capire di cosa è fatta la luce . Nel diciannovesimo secolo, il dibattito sembrava risolto dalla descrizione della luce del fisico scozzese James Clerk Maxwell come un’onda di elettromagnetismo .

Ma le cose si complicarono un po ‘all’inizio del XX secolo quando il fisico tedesco Max Planck, allora connazionale Albert Einstein, mostrò che la luce era composta da piccoli pacchetti indivisibili chiamati fotoni.

Negli anni 1920, il fisico austriaco Erwin Schrödinger elaborò queste idee con la sua equazione per la funzione dell’onda quantistica per descrivere l’aspetto di un’onda, che si è rivelato incredibilmente potente nel prevedere i risultati degli esperimenti con i fotoni. Ma, nonostante il successo della teoria di Schrödinger, i fisici discutono ancora sul significato reale della funzione d’onda .

Ora i fisici dell’Università di Varsavia hanno misurato, per la prima volta, la forma descritta dall’equazione di Schrödinger in un vero esperimento.

I fotoni, che viaggiano come onde, possono essere al passo (chiamati con la stessa fase). Se interagiscono, producono un segnale luminoso. Se sono sfasati, si annullano a vicenda. È come se le onde sonore di due altoparlanti producessero patch rumorose e silenziose in una stanza.

L’immagine – che è chiamata ologramma perché contiene informazioni sia sulla forma che sulla fase del fotone – è stata creata sparando due fasci di luce su un beamsplitter, fatto di cristallo di calcite, allo stesso tempo.

Il beamsplitter si comporta un po ‘come un incrocio di traffico, in cui ogni fotone può passare direttamente attraverso o fare una svolta. L’esperimento del team polacco si è basato sulla misurazione del percorso intrapreso da ciascun fotone, che dipende dalla forma delle loro funzioni d’onda.

Per un fotone da solo, ogni percorso è ugualmente probabile. Ma quando due fotoni si avvicinano all’intersezione, interagiscono – e queste probabilità cambiano.

Il team si è reso conto che se avessero conosciuto la funzione d’onda di uno dei fotoni, avrebbero potuto capire la forma del secondo dalle posizioni dei lampi che apparivano su un rivelatore.

È un po ‘come sparare due proiettili per guardarsi a mezz’aria e usare le traiettorie deviate per capire la nostra forma di ciascun proiettile.

Ogni serie dell’esperimento ha prodotto due lampi su un rivelatore, uno per ciascun fotone. Dopo oltre 2.000 ripetizioni, si è sviluppato un modello di lampi e il team è stato in grado di ricostruire la forma della funzione d’onda del fotone sconosciuto.

L’immagine risultante assomiglia un po ‘a una croce maltese, proprio come la funzione d’onda prevista dall’equazione di Schrödinger. Nelle braccia della croce, dove i fotoni erano al passo, l’immagine è luminosa – e dove non lo erano, vediamo l’oscurità.

L’esperimento ci porta “un passo avanti verso la comprensione di cosa sia realmente la funzione d’onda”, afferma Michal Jachura, autore congiunto del lavoro, e potrebbe essere un nuovo strumento per studiare l’interazione tra due fotoni, su cui tecnologie come quantum comunicazione e alcune versioni di calcolo quantistico fanno affidamento.

I ricercatori sperano anche di ricreare le funzioni d’onda di oggetti quantistici più complessi, come gli atomi.

“È probabile che le vere applicazioni dell’olografia quantistica non appaiano ancora per alcuni decenni”, afferma Konrad Banaszek, che faceva anche parte del team, “ma se c’è una cosa di cui possiamo essere certi è che saranno sorprendenti. “

 

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