Nel mondo della fisica quantistica, i fotoni sembrano seguire una logica sorprendentemente collettivista. Quando si trovano a dover scegliere tra due possibili stati energetici, mostrano una netta preferenza per quello già occupato dalla maggioranza dei loro simili. Questo comportamento gregario, tuttavia, non si manifesta immediatamente: serve raggiungere una certa massa critica perché la tendenza a conformarsi diventi dominante, come emerge da uno studio pubblicato su Physical Review Letters.
La ricerca condotta dal gruppo del professor Martin Weitz dell'Istituto di Fisica Applicata dell'Università di Bonn ha esplorato un territorio finora poco indagato. Gli scienziati hanno raffreddato dei fotoni e li hanno confinati in uno spazio ristretto dove potevano assumere solo uno di due livelli energetici leggermente diversi, una condizione paragonabile a due tonalità di colore quasi identiche. L'esperimento può essere immaginato come un ristorante con due lunghi tavoli: i primi commensali si distribuiscono casualmente, ma man mano che la sala si riempie, i nuovi arrivati tendono a gravitare verso il tavolo più affollato.
I risultati hanno rivelato un pattern chiaro. Finché i fotoni presenti erano pochi, la distribuzione tra i due stati energetici rimaneva sostanzialmente equilibrata. Il livello con energia inferiore mostrava una leggera preferenza, ma la differenza era talmente minima da risultare trascurabile. La situazione cambiava drasticamente quando il numero di particelle cresceva: una volta raggiunte le decine di fotoni, i nuovi arrivati iniziavano a convergere sistematicamente verso lo stato già più popolato.
La fisica distingue due categorie fondamentali di particelle: i fermioni e i bosoni. I primi sono individualisti per natura, incapaci di occupare lo stesso stato quando confinati in uno spazio ristretto. Gli elettroni che orbitano attorno a un nucleo atomico ne sono l'esempio più noto: se due elettroni vogliono trovarsi nella stessa orbita, devono necessariamente avere spin opposti, ovvero ruotare in direzioni diverse. I bosoni, al contrario, manifestano una spiccata propensione alla condivisione e preferiscono tutti assumere lo stesso stato.
Quando centinaia di fotoni si accumulavano nell'esperimento, il fenomeno diventava ancora più marcato. Il tavolo meno popolato veniva praticamente abbandonato, con i nuovi fotoni che sceglievano quasi esclusivamente di unirsi alla maggioranza. Questo comportamento collettivista era stato già osservato in gas contenenti diversi tipi di bosoni, ma in quei casi le particelle avevano a disposizione una gamma molto più ampia di possibilità, non limitata a una scelta binaria come nell'esperimento di Bonn.
Le implicazioni pratiche di questa scoperta potrebbero essere rivoluzionarie per lo sviluppo di sorgenti laser di potenza superiore. In teoria, l'energia di un raggio laser può essere amplificata combinando molteplici sorgenti di radiazione, ma questa operazione richiede che tutti i fasci siano perfettamente "in fase". Come spiega Weitz, membro del Cluster of Excellence ML4Q—Matter and Light for Quantum Computing, "le onde devono essere esattamente sincronizzate, altrimenti i picchi di un fascio potrebbero incontrare le valli di un altro, annullandosi a vicenda".
Allineare con tale precisione le onde luminose di due laser separati rappresenta una sfida tecnologica considerevole. Tuttavia, sfruttare la propensione naturale dei fotoni alla coesione collettiva potrebbe fornire una soluzione elegante. La tendenza innata di queste particelle a convergere verso uno stato comune potrebbe essere il meccanismo chiave per far confluire naturalmente i fasci laser senza bisogno di complessi sistemi di allineamento.
Il raffreddamento dei fotoni fino a temperature estremamente basse in uno spazio minuscolo normalmente porta alla formazione di un super-fotone, una sorta di particella gigante risultante dalla fusione collettiva. La domanda che ha guidato la ricerca era se, imponendo ai fotoni la scelta tra due colori leggermente diversi, si sarebbero formati due super-fotoni distinti o se il desiderio di conformità avrebbe prevalso, spingendoli tutti verso un'unica tonalità.
Professor Weitz sottolinea che, nonostante i risultati promettenti suggeriscano la fattibilità di questa applicazione, "c'è ancora molta strada da percorrere prima che la tecnologia sia operativa". La comprensione di questi meccanismi quantistici rappresenta comunque un passo fondamentale verso lo sviluppo di laser ultra-potenti che potrebbero trovare applicazione in numerosi campi, dalla medicina alla comunicazione ottica ad alta velocità.