La scoperta che gli elementi costitutivi della luce possono esistere in una forma divisa, precedentemente inimmaginabile, fa avanzare la comprensione fondamentale della luce e di come si comporta. La scoperta teorica del fotone diviso, noto come "bosone di Majorana", è stata pubblicata su Physical Review Letters. "Questo è un importante cambiamento di paradigma nella comprensione della luce in un modo che non si credeva possibile", ha dichiarato Lorenza Viola, dell’Università di Dartmouth e ricercatore senior dello studio. "Non solo abbiamo trovato una nuova entità fisica, ma anche qualcosa che nessuno credeva potesse esistere".
Simile a come l'acqua liquida può trasformarsi in ghiaccio o vapore in condizioni specifiche, la ricerca indica che la luce può esistere anche in una fase diversa, quella in cui i fotoni appaiono come due metà distinte. "L'acqua è acqua indipendentemente dalla sua forma liquida o solida. Si comporta in modo diverso a seconda delle condizioni fisiche", ha spiegato Viola. "Questo è il modo in cui dobbiamo avvicinarci alla comprensione della luce: come la materia, anche la luce può esistere in diverse fasi".
Piuttosto che pezzi che possono essere fisicamente smontati, le metà dei fotone servono in modo simile alle diverse facce di una moneta. Le due parti distinte costituiscono un tutt'uno, ma possono essere descritte e funzionare come unità separate. "Ogni fotone può essere pensato come la somma di due metà distinte", ha detto Vincent Flynn, un dottorando a Dartmouth e primo autore dell'articolo. "Siamo stati in grado di identificare le condizioni per isolare queste metà l'una dall'altra".
Le particelle sono disponibili in due tipi diversi: fermioni e bosoni. I fermioni, come gli elettroni, tendono ad essere solitari, evitandosi a tutti i costi. I bosoni, come i fotoni, tendono a raggrupparsi insieme. Pertanto, era naturale per i ricercatori presumere che dividere i bosoni sarebbe stato un compito insormontabile.
La teoria di Dartmouth si basa su cavità che dissipano energia e che sono accoppiate insieme e riempite con pacchetti quantistici di luce. La ricerca prevede che le metà delle particelle appaiano ai bordi di tale piattaforma sintetica: è così che è stato scoperto il bosone di Majorana. "La nostra scoperta fornisce il primo indizio che potrebbe esistere una fase precedentemente sconosciuta di luce e materia che ospita i bosoni di Majorana", ha detto Flynn.
La scoperta teorica si basa sulla previsione nel 1937 dell'esistenza di particelle neutre simili a elettroni note come fermioni di Majorana. Nel 2001, i ricercatori hanno suggerito un processo specifico per il modo in cui gli elettroni potrebbero effettivamente essere dimezzati in alcuni superconduttori. Ma il fotone era rimasto indivisibile fino ad ora. Secondo il team di ricerca, i bosoni di Majorana possono essere visti come parenti lontani dei fermioni di Majorana.
"Fermioni e bosoni sono diversi", ha affermato Emilio Cobanera, assistente professore di fisica al SUNY Polytechnic Institute e co-autore dello studio, "anche se in effetti, le particelle sono immagini distorte l'una dell'altra. L'esistenza dei fermioni di Majorana era il nostro indizio principale che il bosone di Majorana si nascondeva da qualche parte. La conferma del bosone di Majorana richiederebbe comunque un esperimento di laboratorio che osservi le metà dei fotoni.
Il team ha scoperto che i bosoni di Majorana sono robusti contro le imperfezioni sperimentali e identificabili da firme distinte. Sebbene sia difficile prevedere come i risultati possano essere applicati, tali caratteristiche potrebbero supportare lo sviluppo di nuovi tipi di processori di informazioni quantistiche, sensori ottici e amplificatori di luce. La ricerca indica anche la strada verso la scoperta di una nuova fase esotica della materia e della luce.