Fotoni: Nuovo studio sulle particelle della luce

 La misurazione della luce

Fotoni: Nuovo studio sulle particelle della luce apre la strada a numerose applicazioni future.

Lo studio del laboratorio Nanoscienze del Dipartimento di Fisica pubblicato su Nature Communications pone  l’attenzione  sul comportamento dei fotoni, le particelle che compongono la luce, in posizione del  medio infrarosso: una zona  ancora poco esaminata dello spettro elettromagnetico.
 Un approccio nuovo che può portare a misurazioni sempre più approfondite, con molteplici applicazioni future: dallo spazio ai nuovi materiali superconduttori per computer e telecomunicazioni.

 Un esempio di ricerca di punta per la partita europea della “Quantum Technologies Flagship” su cui scommettono gli enti di ricerca  del Trentino.

Lo studio è disponibile sul sito: http://rdcu.be/r0ET

Tutte le seguenti attività hanno in comune lo studio dei fotoni: Rilevare molecole di gas, effettuare monitoraggi ambientali accurati, stabilire comunicazioni satellitari efficienti nello spazio, dare vita a nuovi tipi di semiconduttori, indispensabili per tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici di nuova generazione.

Ognuna di esse rappresenta quel settore in grande espansione scientifica e tecnologica che ruota attorno al computer, sensori e metodi di comunicazione sicura del futuro e che nei prossimi anni saranno oggetto di un forte investimento di ricerca e trasferimento tecnologico (oltre un miliardo di euro) da parte dell’Unione Europea nell’ambito della nuova “Quantum Technologies Flagship”.

Per progettare strumentazioni sempre più precise, occorre investire in misurazioni sofisticate che siano capaci di misurare le proprietà dei singoli fotoni. Questa è una sfida aperta per la fisica quantistica perché il segnale prodotto da particelle isolate è bassissimo.

Lo è, in particolare, per quanto riguarda singoli fotoni con un colore nel medio infrarosso. Il medio infrarosso è una porzione della più ampia radiazione infrarossa, quella radiazione elettromagnetica con banda di frequenza dello spettro inferiore alla luce visibile ma superiore alle onde radio.

A causa del rumore a cui sono soggetti i rilevatori standard, non è possibile il loro utilizzo in misurazioni in cui è richiesta questa estrema sensibilità.

Eppure lo studio dei fotoni che si trovano in questa parte specifica dello spettro infrarosso è la chiave per sviluppare applicazioni interessanti in numerosi ambiti di innovazione tecnologica: dallo spazio allo sviluppo di nuove sorgenti di fotoni per la crittografia quantistica, dallo studio dell’assorbimento di molecole gassose alla medicina.

L’unica soluzione finora ipotizzata per indagare questa porzione dello spettro è stata quella di impiegare anche nel medio infrarosso sensori ottici realizzati con materiali superconduttori, che però devono essere mantenuti a temperature estremamente basse per poter funzionare.

Ma cosa succede se invece si modifica il colore della luce, in modo da renderlo visibile e quindi misurabile con un sensore ottico di quelli che si trovano nei nostri telefonini?

Quest’idea, detta “traslazione spettrale” ad alta efficienza  abbinato ad un sensore ottico, ha permesso per la prima volta di contare i singoli fotoni nel medio infrarosso uno ad uno. Di più, sono state fatte anche misure di coppie di fotoni intrecciati, sempre nel medio infrarosso.

Fotoni intrecciati a coppie sono prodotti da sorgenti di luce quantistica. In queste, infatti, i fotoni sono emessi intimamente correlati : osservare questa caratteristica è proprio ciò che permette di sfruttare le loro proprietà per applicazioni delle tecnologie quantistiche nella regione spettrale dove sono presenti le impronte digitali delle varie molecole o dove l’atmosfera è particolarmente trasparente per lasciar passare inalterati i fotoni.

L’obiettivo è quello di superare i limiti dei sistemi classici di misurazione, per sviluppare approcci innovativi nell’ambito delle tecnologie quantistiche.

Fonte: Università degli Studi di Trento

Carlo Screti

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