Fluttuazioni quantistiche nei BEC di fotoni

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Schema dell’esperimento con un BEC di fotoni. (Credit: APS/Alan Stonebraker).

Come è noto, a temperature normali gli atomi si dispongono su livelli differenti; ciò non accade se li raffreddiamo fino allo zero assoluto. A temperature molto basse, infatti, la maggior parte degli atomi si dispone nel livello energetico più basso (che è lo stato quantistico di minore energia) formando una gigantesca onda. Questo stato inusuale della materia è conosciuto come condensato di Bose-Einstein (BEC). Benché oggi sappiamo che il BEC si forma anche a temperature maggiori dello zero assoluto, la maggior parte degli studi sperimentali si affida a questo paradigma.

Ma i BEC possono essere assemblati con vari tipi di bosoni, polaritoni e fotoni inclusi che, a differenza di altre particelle, sono più facilmente “maneggiabili” in quanto possono essere creati e distrutti all’interno del mezzo in cui sono prodotti. Ora, i ricercatori hanno scoperto insoliti effetti quantistici in un BEC di fotoni: è stato infatti osservato il primo scambio di particelle. Nell’immagine in apertura vedete uno schema dell’esperimento condotto da un gruppo di ricerca dell’Università di Bonn, coordinato da Julian Schmitt. Immettendo il condensato in un bagno di molecole di colorante fotoeccitabile (che ha agito come serbatoio mantenendo la temperatura desiderata), si sono osservate fluttuazioni di particelle. Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, dimostra anche che in un BEC di questo tipo il numero di particelle non necessariamente si conserva, risolvendo in questo modo una annosa questione di fisica statistica.

Come accade per gli altri sistemi contenenti un gran numero di particelle, anche i BEC sono descritti statisticamente. Insiemi diversi o, meglio, con un gran numero di particelle preparate in particolari condizioni termodinamiche, possono avere proprietà fisiche simili. Ma generazioni di fisici hanno sostenuto che questo non dovrebbe essere il caso delle fluttuazioni di particelle in un BEC (2). In particolare, quando un BEC può “scambiare” sia calore che particelle con un serbatoio termico, i teorici hanno previsto una “catastrofe quantistica” in cui le fluttuazioni del numero di particelle sono grandi come il numero totale di particelle presenti nel condensato. Al contrario, in condizioni “canoniche”, solo il calore (e non le particelle) può essere “scambiato” (in parole povere, la temperatura più salire o scendere), in modo che il numero totale di particelle resti invariato. Analogamente, ampie fluttuazioni quantistiche non dovrebbero verificarsi in un insieme in cui sia l’energia e il numero di particelle sono conservate.

In linea di principio dovrebbe essere possibile violare l’ultima condizione di cui sopra, vedendo fluttuazioni di particelle in un BEC di eccitoni-polaritoni (3): purtroppo è molto difficile effettuare misurazioni precise (si parla di una scala in picosecondi). Ora, il gruppo di ricerca di Bonn ha mostrato che, di fatto, è possibile raggiungere questi risultati in un BEC di fotoni che si trovi nello “stato canonico” previsto dalle teorie – l’esperimento fu realizzato per la prima volta anni fa (5).  La fisica del sistema potrebbe applicarsi anche ad altri sistemi a molti corpi, come i condensati di eccitoni – polaritoni nei semiconduttori, e potrebbe essere utile per comprendere le situazioni di non equilibrio con le statistiche non termiche. Una strada interessante da perseguire in futuro potrebbe condurci a capire in che modo le interazioni tra i fotoni nella cavità influenzano le proprietà statistiche del BEC. In particolare, se simili effetti possono essere correlati alla propagazione della luce nei superfluidi e alla fisica dei sistemi fotonici fortemente correlati (10).

In estrema sintesi, il risultato è questo: i fotoni intrappolati si comportano come un gas bidimensionale di bosoni in un potenziale armonico. Per chi volesse approfondire, sul sito dell’American Physical Society è riportato un interessante e dettagliato focus che vi consiglio. Indico a seguire gli articoli di riferimento:

(1)     Julian Schmitt, et alii., “Observation of Grand-Canonical Number Statistics in a Photon Bose-Einstein Condensate,” Phys. Rev. Lett. 112, 030401 (2014).

(2)     V. V. Kocharovsky et alii., “Fluctuations in Ideal and Interacting Bose-Einstein Condensates: From the Laser Phase Transition Analogy to Squeezed States and Bogoliubov Quasiparticles,” Adv. At. Mol. Opt. Phys. 53, 291 (2006).

(3)     J. Kasprzak et alii., “Bose-Einstein Condensation of Exciton Polaritons,” Nature 443, 409 (2006).

(4)     R. M. Ziff, et alii., “The Ideal Bose-Einstein Gas, Revisited,” Phys. Rep. 32, 169 (1977).

(5)     J. Klaers, et alii., “Bose-Einstein Condensation of Photons in an Optical Microcavity,” Nature 468, 545 (2010).

(6)     J. Klaers, et alii., “Statistical Physics of Bose-Einstein-Condensed Light in a Dye Microcavity,” Phys. Rev. Lett.108, 160403 (2012).

(7)     D. Bajoni, et alii., “Photon Lasing in a GaAs Microcavity: Similarities with a Polariton Condensate,” Phys. Rev. B 76, 201305 (2007).

(8)     B. Fischer e R. Weill, “When Does Single-Mode Lasing Become a Condensation Phenomenon?” Opt. Express 20, 26704 (2012).

(9)     P. Kirton e J. Keeling, “Nonequilibrium Model of Photon Condensation,” Phys. Rev. Lett. 111, 100404 (2013).

(10)   Carusotto e C. Ciuti, “Quantum Fluids of Light,” Rev. Mod. Phys. 85, 299 (2013).

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