Onde di luce solitarie e infinite. Una ricerca scopre le proprietà dei solitoni

Onde solitarie e infinite. Nei solitoni, fenomeni idrodinamici. Ne hanno evidenziato le proprietà uno studio italo-francese. Non si tratta di fantascienza. E’ il frutto della collaborazione tra ricercatori dell’Istituto nanoscienze e dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr, ed è pubblicato sulla rivista “Science”. In un fluido di fotoni confinato in una nanostruttura fenomeni quantistici idrodinamici finora predetti soltanto dalla teoria, come i solitoni, hanno scoperto una sorta di onde solitarie e permanenti. Lo studio aggiunge un nuovo tassello alla conoscenza delle proprietà di un fluido luminoso e più in generale dei condensati coerenti di materia.

 

I meritevoli ricercatori sono:
Iacopo Carusotto dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr);
Daniele Sanvitto dell’Istituto nanoscienze (Nano) del Cnr di Lecce;
Alberto Bramati e Alberto Amo dell’Università Paris6;
Cristiano Ciuti dell’Università Paris7 e Cnrs.

 

Sono stati in grado di creare un fluido di luce confinando i fotoni in una nanostruttura a semiconduttore, e di studiare in dettaglio i processi microscopici che si generano quando il fluido incontra un ostacolo. 

 

“È un fenomeno che si verifica quando i fotoni, le particelle elementari che compongono la luce, sono costretti a propagarsi non più nel vuoto o in mezzi trasparenti ordinari come il vetro, ma in materiali appositamente usati per indurre forti interazioni fra loro”, spiega Carusotto, fisico teorico del Centro Bec di Trento dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr. “Succede allora che i fotoni si comportano in maniera simile alle molecole di un liquido e collettivamente danno luogo a un vero e proprio fluido luminoso, che ha la fondamentale caratteristica di conservare precisa memoria della natura quantistica dei fotoni che lo costituiscono”.

 

“A basse velocità il fluido di fotoni ha le caratteristiche tipiche di un superfluido, ovvero è capace di aggirare l’ostacolo per poi riprendere a scorrere come se nulla fosse accaduto”, spiega Daniele Sanvitto. “A velocità più alte si generano vortici e moti turbolenti dovuti a fenomeni di attrito, ma mentre in un fluido tradizionale i mulinelli ruotano a velocità piccole e a piacere, nel fluido quantistico la velocità di rotazione può solo essere un multiplo intero della costante di Planck”. In particolare, prosegue il ricercatore di Nano-Cnr, che ha seguito la parte sperimentale dello studio, “per la prima volta si è vista la formazione di lunghi canali persistenti a valle dell’ostacolo, i cosiddetti ‘solitoni idrodinamici’: questi oggetti sono l’analogo quantistico delle onde solitarie che si propagano sulla superficie dell’acqua, ma qui la loro robustezza discende direttamente dalla natura quantistica del fluido”.

 

Lo studio ha mostrato che con i fluidi di luce si può generare e studiare, fino quasi a temperatura ambiente, una classe di fenomeni che finora era possibile osservare solo nell’elio superfluido o in condensati di Bose-Einstein di atomi ultrafreddi, sistemi che richiedono temperature prossime allo zero assoluto.
Per i ricercatori lo studio avrà successivi sviluppi: “Le tecniche spettroscopiche avanzate messe a punto all’Istituto nanoscienze Cnr di Lecce”, conclude Daniele Sanvitto, “ci permettono di ricostruire la dinamica completa del fluido, con una  risoluzione spaziale dei milionesimi di metro e temporale del picosecondo (milionesimo di milionesimo di secondo)”.

 

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