Una scoperta rivoluzionaria nel campo della fisica quantistica sta aprendo nuove frontiere nella comprensione del comportamento della luce. I ricercatori del Laboratoire Kastler Brossel dell'Università Sorbonne-CNRS sono riusciti a dimostrare che i fotoni possono comportarsi come un fluido quantico a due componenti, esibendo proprietà analoghe a quelle dei superfluidi come l'elio-4 a temperature estremamente basse. Questo risultato, pubblicato su Physical Review Letters, potrebbe rivoluzionare il modo in cui studiamo i sistemi quantistici complessi utilizzando sistemi ottici.
La magia dei superfluidi ottici
Per comprendere la portata di questa scoperta, è necessario partire dal concetto di superfluido. Si tratta di una fase della materia caratterizzata da un flusso privo di viscosità, ovvero senza alcuna resistenza. Mentre tradizionalmente associamo i superfluidi a gas atomici ultra-freddi o all'elio liquido, i ricercatori francesi hanno dimostrato che anche la luce può assumere queste straordinarie proprietà.
"Studiamo fluidi quantici di luce, ovvero sistemi ottici dove la luce si comporta come un superfluido, molto simili ai condensati di Bose-Einstein o ai superconduttori", spiega Quentin Glorieux, autore senior della ricerca. L'obiettivo era spingere questa analogia ancora più lontano, creando una miscela di due fluidi di luce interagenti.
Il cuore dell'esperimento: due polarizzazioni, un comportamento straordinario
Il setup sperimentale ideato dal team è tanto elegante quanto innovativo. I ricercatori hanno diviso un fascio laser in due parti, ciascuna con una diversa polarizzazione circolare. Queste due polarizzazioni sono state quindi inviate attraverso un vapore caldo di atomi di rubidio, dove iniziano a comportarsi come due gas bosonici interagenti.
Clara Piekarski, prima autrice dello studio, descrive così il processo: "Per noi, l'equivalente della funzione d'onda del fluido quantico è l'inviluppo del campo elettrico di un fascio laser che si propaga attraverso un vapore atomico caldo di rubidio. All'interno di questo mezzo non lineare, i fotoni iniziano effettivamente a interagire tra loro".
Due velocità del suono per un unico sistema
Il risultato più significativo dell'esperimento è stata l'osservazione chiara di due tipologie distinte di oscillazioni collettive. La prima riguarda le oscillazioni nella densità totale dei fotoni (modalità di densità), mentre la seconda è correlata alla differenza tra le due componenti sottostanti (modalità di spin). Queste modalità rappresentano le firme distintive delle miscele di superfluidi quantici.
Ciò che rende questa scoperta particolarmente affascinante è che i ricercatori sono riusciti a controllare le velocità relative di queste due modalità regolando la densità fotonica. Questa tunabilità, resa possibile dalla saturazione del vapore atomico, è unica per i fluidi di luce e risulta inaccessibile in altri superfluidi conosciuti.
Verso nuove frontiere della fisica quantistica
Le implicazioni di questa ricerca si estendono ben oltre la mera comprensione teorica. Come sottolinea Glorieux, "Questo apre chiaramente il campo dei fluidi quantici di luce in modo molto ampio". La possibilità di creare una miscela binaria di superfluidi fatta di fotoni offre una nuova piattaforma per lo studio delle transizioni di fase quantistiche, delle strutture topologiche e persino della gravità analogica.
Il team sta già esplorando regimi ancora più esotici, come quello in cui solo lo spin è superfluido e non la densità, o viceversa. Piekarski anticipa: "Al momento stiamo studiando il regime non miscibile, dove la modalità di spin è instabile e le due componenti si separano per occupare regioni diverse dello spazio".
Un ponte tra ottica e meccanica quantistica
Questa ricerca rappresenta un esempio brillante di come la fisica moderna stia abbattendo i confini tradizionali tra diverse discipline. La capacità di utilizzare sistemi ottici per simulare e investigare fenomeni quantistici complessi apre possibilità straordinarie per la ricerca futura. Il controllo preciso delle proprietà del fluido di luce potrebbe portare allo sviluppo di nuovi dispositivi quantistici e a una comprensione più profonda dei fenomeni collettivi nella materia condensata.
La dimostrazione sperimentale che i fotoni possono formare un fluido quantico a due componenti con modalità di spin e densità controllabili segna un passo importante verso la realizzazione di simulatori quantistici ottici sempre più sofisticati.
