Particelle di luce in doppio pacchetto

© TU Berlin

Il punto quantico - una sorta di atomo artificiale - viene raffreddato in un criostato a una temperatura vicina allo zero assoluto. Attraverso un laser vengono generati gemelli di fotoni e raccolti con un obiettivo microscopico. (© Oana Popa/PR/TU Berlino)

Fisici del gruppo di lavoro AG Optoelektronik und Quantenbauelemente del Prof. Dr. Stephan Reitzenstein sviluppano una nuova sorgente di luce quantistica per la generazione di fotoni gemelli / pubblicato su Nature Communications.

La fisica quantistica è tra l'altro così difficile da comprendere perché le ricerche corrispondenti si svolgono principalmente in un microcosmo di singoli atomi, elettroni e fotoni – quindi non percepibile dall'occhio umano. Tuttavia, si sa ormai che gli effetti quantistici influenzano anche il mondo macroscopico. È noto dalla ricerca che le cellule visive degli occhi di una rana, le cosiddette cellule bastoncelli, possono addirittura registrare un singolo fotone. Ricercatori di Singapore sono riusciti a dimostrare che, anche con la stessa luminosità dei diversi tipi di luce (cioè lo stesso numero di fotoni al secondo), le cellule bastoncelli dell'occhio rilevano una differenza tra luce classica e luce quantistica. Ciò permette applicazioni interdisciplinari completamente nuove per le sorgenti di luce quantistica nella biologia quantistica, l'intersezione tra fisica quantistica e biologia, che però al momento sembrano ancora fantascienza.

Mentre finora la ricerca nel campo dell'ottica quantistica si concentrava principalmente sulla ricerca di base, negli ultimi anni sono stati fatti anche progressi significativi nella generazione di stati di luce non classici e, di conseguenza, verso applicazioni innovative. Tuttavia, lo sviluppo delle relative sorgenti di luce quantistica rappresenta ancora una sfida enorme: «Anche la produzione definita di una sorgente di un singolo fotone – che potrebbe essere utilizzata, tra l'altro, nello sviluppo di sistemi di trasmissione dati sicuri – è ancora oggi un'alta tecnologia», spiega il Dr. Tobias Heindel, membro del gruppo di lavoro del Prof. Dr. Stephan Reitzenstein nel dipartimento di Optoelektronik und Quantenbauelemente alla TU Berlin, sullo stato dell'arte.

Il team di ricerca di questo gruppo di lavoro è riuscito per la prima volta a produrre una sorgente di luce quantistica basata su punti quantici semiconduttori in grado di generare coppie di fotoni identici – cosiddetti fotoni gemelli. Il Dr. Tobias Heindel, Alexander Thoma e altri membri del gruppo di lavoro hanno utilizzato, sotto la guida del Prof. Reitzenstein, un elemento di quanta altamente ottimizzato. «Negli ultimi anni, il gruppo di lavoro ha sviluppato una tecnica speciale, unica al mondo, chiamata litografia a fascio di elettroni in situ 3D, che consente di posizionare con precisione una microlente sopra un punto quantico di pochi nanometri (1 nm corrisponde a un milionesimo di millimetro). Questo punto quantico può quasi premendo un pulsante emettere fotoni, che vengono direzionati dalla microlente in una direzione specifica e quindi possono essere rilevati», spiega Tobias Heindel. Con l'aiuto di metodi di misurazione speciali, i ricercatori sono riusciti a isolare un punto quantico finora unico, in grado di emettere coppie di fotoni gemelli. «Il nostro prossimo obiettivo è sviluppare un metodo con cui ogni punto quantico possa essere trasformato in una sorgente di fotoni gemelli». La produzione di questi elementi di quanta è stata resa possibile dall'eccellente infrastruttura del Centro di Nanofotonica della TU Berlin.

«Anche altri gruppi di ricerca sono già riusciti a generare coppie di fotoni gemelli basate su atomi naturali o cristalli non lineari», afferma Heindel. Tuttavia, il grande vantaggio della sorgente di fotoni gemelli di Berlino basata su punti quantici è che le coppie di fotoni possono essere emesse quasi a comando. In combinazione con la struttura di microlenti, si ottiene così una sorgente di fotoni particolarmente luminosa. «Il nostro approccio permette di aumentare di un fattore cinque il numero di coppie di fotoni generate dal componente», riferisce Heindel. Per rilevare direttamente i fotoni gemelli emessi, i fisici hanno utilizzato, in collaborazione con l'Istituto Federale di Fisica e Tecnologia di Berlino, un rivelatore superconduttore ad alta sensibilità, in grado di rilevare il numero di fotoni in un impulso luminoso.

Il lavoro su questa nuova sorgente di luce quantistica è stato realizzato nell'ambito del Sottoprogramma Speciale 787 «Semiconduttori - Nanofotonica» e del progetto VIP del BMBF «QSOURCE». È stato pubblicato nell'attuale numero della rinomata rivista specializzata Nature Communications. *

* Heindel, T. et al. A bright triggered twin-photon source in the solid state.
Nat. Commun. 8, 14870 doi: 10.1038/ncomms14870 (2017).