Uno stregatto quantistico anche per il fotone

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Un esperimento ha dimostrato che è possibile separare la posizione di un fotone dalla polarizzazione dell’onda di luce a cui è associato. È una nuova conferma di un fenomeno quantistico previsto teoricamente pochi anni fa e dimostrato sperimentalmente nel 2014, soprannominato stregatto quantistico o gatto di Cheshire.

Nell’ambito della fisica, quando si parla di gatti viene in mente in famoso gatto di Schroedinger, protagonista di un esperimento mentale formulato nei primi decenni del novecento da Erwin Schroedinger. Con il suo esperimento mentale, il fisico austriaco voleva spiegare gli effetti paradossali della meccanica quantistica, di cui è considerato uno dei padri fondatori.

Ma c’è un altro gatto quantistico che negli ultimi anni ha rubato la scena a quello di Schroedinger. È il gatto di Cheshire, uno dei personaggi di Alice nel paese delle meraviglie, meglio conosciuto in italiano come lo “stregatto”. A un certo punto del racconto di Lewis Carroll, lo stregatto scompare, lasciando visibile di sé solo il sorriso.

A questa famosa immagine si sono ispirati Alex Matzkin del CNRS francese e Kumar Pan dell’Università di Nagoya, in Giappone, per battezzare nel 2013 un fenomeno, da loro previsto per la prima volta per via teorica: la separazione della posizione della massa di una particella da una o più delle sue altre proprietà fisiche.

L’esistenza dello stregatto quantistico è stata dimostrata sperimentalmente nel 2014 grazie a uno studio di Tobias Denkmayr della Vienna University of Technology e colleghi, pubblicato su “Nature Communication”. Grazie a un interferometro, Denkmayr e colleghi erano riusciti a separare spazialmente la posizione di alcuni neutroni dai rispettivi spin. Quest’ultima grandezza è definita come il momento angolare intrinseco di una particella, che può essere immaginato come un moto di rotazione su se stessa.

Ora in un nuovo studio pubblicato su “Physical Review A”, James M. Ashby e colleghi dell’Università di Portland, in Oregon, hanno replicato la dimostrazione sperimentale del gatto di Cheshire quantistico con un singolo fotone, il quanto di luce. Ashby è colleghi hanno separato spazialmente la posizione del fotone dalla sua polarizzazione, cioè dalla direzione lungo cui oscilla il campo elettrico associato alla propagazione della luce stessa.

Per produrre il loro gatto di Cheshire, gli autori hanno usato un apparato sperimentale simile a quello di Denkmayr. In un interferometro, un fascio di luce o di particelle può essere separato in due o più sottofasci. Questi sottofasci a loro volta possono procedere lungo due cammini ottici che procedono in versi opposti in un apposito circuito chiuso. In questo schema, i due sottofasci possono infine essere ricombinati in un punto, producendo il fenomeno d’interferenza.

Nell’esperimento di Ashby e colleghi la polarizzazione della luce entrante era orizzontale, ma veniva commutata in verticale nel percorso in senso antiorario. Ogni cammino, inoltre, comprendeva un primo dispositivo per regolare ulteriormente la polarizzazione e un secondo dispositivo per diffondere un piccolo insieme di fotoni di determinata polarizzazione, un’operazione che permette di rivelare la loro presenza.

Gli autori hanno poi inviato nel circuito una luce d’intensità talmente bassa che si trattava di un fotone alla volta. Secondo uno dei fenomeni peculiari della meccanica quantistica, questi singoli fotoni potevano percorrere simultaneamente entrambi i cammini.

Regolando i dispositivi posti lungo i due percorsi, i ricercatori hanno dimostrato che la polarizzazione variava leggermente lungo il cammino antiorario mentre il fotone stesso percorreva in cammino in senso orario. Era questa la prova cercata dell’esistenza dello stregatto quantistico anche per il fotone.

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