Uno, due, tre - molti

Elisabeth Schlottmann e Marco Schmidt, entrambi ricercatori del Prof. Reitzenstein alla TU Berlin, presentano la complessa struttura del rivelatore di fotoni speciale. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Per la maggior parte delle persone la luce è uguale alla luce. Non così per i fisici del gruppo di lavoro di Stephan Reitzenstein, dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido presso il TU di Berlino. «Ci interessa molto precisamente, attraverso quali processi viene emessa la luce (cioè i fotoni). La cosiddetta statistica dei fotoni, cioè quanti fotoni sono contenuti in un determinato impulso di luce, ci dà tra l'altro informazioni su se si tratta di luce laser (cosiddetta luce coerente) o di luce normale, termica (cosiddetta luce incoerente). Per le fonti di luce forti, la decisione tra la luce coerente di un laser e la luce termica, ad esempio di una candela, è molto semplice. Diventa più complicato con impulsi di luce deboli, come quelli emessi da sorgenti di luce nanofotoniche. Con le ricerche pubblicate ora congiuntamente con l'Istituto Federale di Tecnologia in Fisica (PTB), è stato possibile per la prima volta sviluppare una tecnica di misurazione che, anche con intensità estremamente deboli, misura il numero esatto di fotoni.

Ai normali rivelatori a diodo fotodiodo manca la sensibilità necessaria per rilevare singoli fotoni, figuriamoci determinare il numero esatto di fotoni in impulsi di luce. Per esempio, non possono distinguere tra un milione o un milione più un fotone. Diventa sorprendentemente più facile con sorgenti di singoli fotoni, che possono essere caratterizzate con cosiddetti rivelatori a clic. Questi sanno che emettono sempre un solo fotone. «Finora rimaneva aperto il interessante intervallo intermedio, in cui i microlaser, deboli impulsi di luce di circa 1 a 40 fotoni, emettono. Questi microlaser speciali sono stati sviluppati insieme ai colleghi del gruppo del Prof. Sven Höfling all'Università di Würzburg», spiega Elisabeth Schlottmann, collaboratrice del gruppo Reitzenstein, che si occupa della tematica di ricerca.

«Grazie alla nostra collaborazione molto buona e di lunga data con la PTB di Berlino, siamo riusciti, insieme ai colleghi del gruppo del Dr. Jörn Beyer, a costruire e utilizzare nei nostri laboratori un rilevatore appropriato, un cosiddetto Rivelatore di Bordo di Transizione», dice la scienziata. Il sistema di rivelazione, sviluppato dal NIST (National Institute of Standards and Technology) negli USA e dalla PTB, funziona appena sopra il punto di zero assoluto a una temperatura di soli 100 millikelvin — corrispondente a circa -273 °C. Ciò rende effettivamente possibile misurare con precisione se in un impulso di luce arrivano uno, due o più fotoni contemporaneamente. «Non si può semplicemente acquistare un rivelatore di questo tipo. Nel mondo esistono solo poche unità di tali sistemi di rivelazione», aggiunge Stephan Reitzenstein.

«Con questo rivelatore otteniamo informazioni molto più approfondite su un impulso di luce rispetto a quanto normalmente possibile. Così abbiamo potuto dimostrare che due microlaser, che con i metodi di misurazione finora consolidati sembravano avere le stesse caratteristiche, presentano ad ogni impulso una distribuzione diversa di fotoni. Il numero di fotoni per impulso si muove in una certa distribuzione di probabilità», spiega Elisabeth Schlottmann. Per determinare la forma esatta di questa distribuzione di probabilità, la ricercatrice ha effettuato milioni di misurazioni con impulsi singoli e ha determinato in ogni caso il numero esatto di fotoni per impulso. Dai risultati ha creato una sorta di istogramma, che permette di fare previsioni sulla probabilità che un determinato microlaser emetta un numero esatto di fotoni in un certo impulso.

«Il rivelatore distingue anche se i fotoni sono di luce caotica — cioè termica — o di distribuzione coerente, come ci si aspetta dalla luce laser. Con questo possiamo fare una distinzione netta tra impulsi di luce tra luce laser e luce termica anche nel regime quantistico di singoli fotoni. È interessante notare che la luce laser e quella termica possono avere la stessa potenza, ma appaiono molto diverse nel loro istogramma di fotoni», afferma Elisabeth Schlottmann.

«Fino ad ora non esistevano misurazioni di questo tipo per i microlaser. È anche un risultato interessante per tutti i teorici che hanno fatto previsioni su come dovrebbe apparire la distribuzione dei fotoni nei microlaser. Ora possiamo verificare per la prima volta se la distribuzione prevista corrisponde alla realtà o se i teorici devono riconsiderare le loro ipotesi», afferma Stephan Reitzenstein, che ha ottenuto i risultati nell'ambito del suo ERC Consolidator Grant «EXQUISITE».

Esplorare la distribuzione del numero di fotoni nei microlaser bimodali con un sensore di bordo di transizione
E. Schlottmann, M. von Helversen, H. A. M. Leymann, T. Lettau, F. Krüger, M. Schmidt, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, J. Beyer, J. Wiersig, e S. Reitzenstein
Phys. Rev. Applied 9, 064030 (2018).
DOI:10.1103/PhysRevApplied.9.064030

Misura risolta del numero di fotoni di un condensato di ecciton-polaritoni
M. Klaas, E. Schlottmann, H. Flayac, F. P. Laussy, F. Gericke, M. Schmidt, M. von Helversen, J. Beyer, S. Brodbeck, H. Suchomel, S. Höfling, S. Reitzenstein, e C. Schneider
Phys. Rev. Lett. 121, 047401 – Pubblicato il 25 luglio 2018
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.047401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.047401