Luce armonica emessa dalla rottura di simmetria quantistica

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Le onde luminose svelano fenomeni fisici “proibiti”. Nello sviluppo delle loro ricerche, gli scienziati hanno trovato nelle supercorrenti dei fenomeni fisici inaspettati, tali da rompere le simmetrie e addirittura da essere considerati come proibiti dalle leggi convenzionali della fisica.

La comprensione delle peculiari proprietà del mondo quantistico, nel futuro potrebbe permetterne l’applicazione per aumentare le prestazioni dei computer quantistici e per migliorare le comunicazioni e altre tecnologie.

Le onde luminose svelano fenomeni fisici "proibiti"Tra queste proprietà, un gruppo di ricercatori della Iowa State University, coordinati dal prof. Jigag Wang, ha cercato di studiare le cosiddette emissioni di luce proibite, utilizzando onde luminose per accelerare supercorrenti, ovvero correnti elettriche che fluiscono all’interno di un superconduttore.

Nello sviluppo delle loro ricerche, gli scienziati hanno trovato nelle supercorrenti dei fenomeni fisici inaspettati, tali da rompere le simmetrie e addirittura da essere considerati come proibiti dalle leggi convenzionali della fisica.

Il laboratorio del prof. Wang è stato tra i primi a sperimentare l’uso delle pulsazioni luminose, a frequenze prossime ai terahertz (THz) – miliardi di pulsazioni per secondo – per accelerare coppie di elettroni, note come coppie di Cooper, all’interno delle supercorrenti.

Queste coppie di elettroni accelerati sono riuscite a generare un fascio di luce con una frequenza doppia rispetto alla frequenza della luce pulsata in ingresso, definita “seconda emissione di luce armonica“. Gli stessi autori della ricerca, i cui risultati sono stati riportati in un articolo pubblicato online la settimana scorsa nella rivista scientifica Physical Review Letters, affermano che questa seconda emissione di luce armonica, nella banda dei THz, fosse proibita nei supercondutttori e che addirittura fosse contro il buon senso.

Per il raggiungimento di questi risultati, il gruppo di Wang ha utilizzato uno spettroscopio quantistico che opera nella banda di frequenza dei terahertz (THz), in grado di visualizzare e di orientare gli elettroni. Facendo uso di flash laser alla frequenza dell’ordine dei THz lo spettroscopio si comporta come una manopola di controllo per accelerare le supercorrenti e accedere a nuovi stati quantistici della materia. Lo sviluppo dello spettroscopio e lo studio delle emissioni di luce proibite sono state sostenute anche dal National Science Foundation.

Gli scienziati concordano che accedere a questo e ad altri fenomeni quantistici possa essere di ausilio per innovazioni più importanti.

Secondo Ilias Perakis, professore di fisica alla University of Alabama di Birmingham, oggi il mondo scientifico è alla ricerca di un passo importante nella progettazione di nuovi dispositivi per migliorare il quantum computing e le capacità delle tecnologie di comunicazione, così come negli ultimi decenni gli attuali transistor a Gigahertz e i routers senza fili 5G hanno sostituito i tubi a vuoto e le valvole termoioniche.

Riuscire a individuare le tecniche per controllare, accedere e manipolare le speciali caratteristiche del mondo quantistico e connetterle ai problemi del mondo reale è una delle spinte scientifiche prioritarie in questi anni. Proprio per questo motivo il National Science Foundation ha incluso gli studi quantistici tra le sue “10 Grandi Idee” quali obiettivi di ricerca e sviluppo strategici per gli Stati Uniti.

L’individuazione e la comprensione della rottura della simmetria negli stati superconduttivi rappresenta una nuova frontiera sia nel campo della ricerca fondamentale della materia quantistica, sia nella scienza dell’informazione quantistica pratica. Lo studio della emissione di seconda armonica avrà delle rilevanti conseguenze nello sviluppo delle future strategie nel settore del quantum computing e nell’elettronica delle alte velocità e con basso consumo di energia.

Prima di raggiungere questi risultati, comunque, i ricercatori dovranno esplorare ancora per molto il mondo quantistico. E questa emissione di luce proibita di seconda armonica nei superconduttori, Wang dice, rappresenta un scoperta fondamentale nel campo della fisica quantistica.

Fonte: PHYSICAL REVIEW LETTERS

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