Una scoperta rivoluzionaria nel campo della fisica quantistica sta riscrivendo le regole del comportamento della luce. Un gruppo di ricercatori del Laboratoire Kastler Brossel dell’Università Sorbonne-CNRS ha dimostrato che i fotoni possono comportarsi come un fluido quantico a due componenti, un risultato pubblicato su Physical Review Letters che apre prospettive senza precedenti nello studio dei sistemi quantistici complessi tramite mezzi ottici.
Tradizionalmente, i superfluidi, ovvero materiali in grado di scorrere senza alcuna viscosità, sono associati a gas ultra-freddi o all’elio liquido a temperature vicine allo zero assoluto. Questi fluidi mostrano proprietà fisiche straordinarie, come l’assenza di resistenza al movimento, fenomeni che si credevano esclusivi della materia condensata a temperature estreme. Ora, invece, la luce stessa è stata trasformata in un sistema simile a un superfluido, con caratteristiche analoghe a quelle di condensati di Bose-Einstein e superconduttori, ma in un contesto ottico.
Il cuore di questa innovazione sta nella creazione di una miscela a due componenti di fluidi di luce. Il team di ricercatori ha diviso un fascio laser in due polarizzazioni circolari diverse, che attraversano un vapore caldo di atomi di rubidio. Qui, i fotoni si comportano come due gas bosonici interagenti, dando origine a fenomeni quantistici collettivi finora mai osservati in questo modo. Clara Piekarski, prima autrice dello studio, spiega che «l’equivalente della funzione d’onda del fluido quantico è l’inviluppo del campo elettrico di un fascio laser che si propaga attraverso il vapore atomico». In questo mezzo non lineare, i fotoni non solo coesistono, ma interagiscono tra loro generando un fluido superfluido di luce.
Due velocità del suono e applicazioni future per la luce fluida
L’aspetto più sorprendente emerso dall’esperimento è l’osservazione di due tipi distinti di oscillazioni collettive, una relativa alla densità totale dei fotoni (modalità di densità) e un’altra riguardante la differenza tra le due componenti (modalità di spin). Queste due modalità sono una caratteristica distintiva delle miscele di superfluidi quantici. Inoltre, i ricercatori hanno mostrato di poter regolare le velocità relative di queste oscillazioni modulando la densità fotonica, grazie alla saturazione del vapore atomico. Questa possibilità di controllo è un unicum tra i fluidi superfluidi conosciuti.
Le implicazioni di questo risultato si estendono ben oltre la semplice teoria. Come sottolinea Quentin Glorieux, autore senior dello studio, questa scoperta apre la strada a una nuova generazione di esperimenti nei fluidi quantici di luce, consentendo di studiare fenomeni complessi quali le transizioni di fase quantistiche, le strutture topologiche e persino fenomeni analoghi alla gravità in sistemi ottici. Il team è già al lavoro su configurazioni ancora più esotiche, come la separazione spaziale delle componenti del fluido quando la modalità di spin diventa instabile.
Questa ricerca rappresenta un ponte tra la fisica ottica e la meccanica quantistica, mostrando come la luce possa essere impiegata come piattaforma per simulare sistemi quantistici complessi. Il controllo preciso delle proprietà di questi fluidi potrà portare allo sviluppo di nuovi dispositivi quantistici e a una comprensione più profonda dei fenomeni collettivi nella materia condensata. La dimostrazione che i fotoni possono formare un fluido quantico a due componenti con modalità di spin e densità regolabili segna un passo cruciale verso simulatori quantistici ottici sempre più avanzati e versatili.
