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Atomi come nodi | Studio dei ricercatori del DiFC UniPa pubblicato su “Physical Review Letters”

Un articolo dal titolo “Vacancy-like Dressed States in Topological Waveguide QED su uno studio condotto da un team di ricercatori, composto da Luca Leonforte, Angelo Carollo e Francesco Ciccarello del Dipartimento di Fisica e Chimica “Emilio Segrè” (DiFC) dell’Università degli Studi di Palermo, è stato pubblicato sulla rivista scientifica Physical Review Letters”.

I ricercatori UniPa hanno dimostrato che i singoli fotoni, i “quanti” del campo elettromagnetico, si comportano in certe circostanze esattamente come se l’atomo fosse un “nodo”, ossia un punto dello spazio in cui essi non si possono trovare. Tale osservazione permette di indagare come gli atomi siano influenzati dalle proprietà topologiche del campo elettromagnetico.

“Un atomo, sotto opportune condizioni,  può comportarsi come un nodo del campo elettromagnetico, un po’ come il dito di un violinista crea un nodo là dove preme sulla corda del proprio violino - spiegano i ricercatori - D’altro canto i nodi, o meglio i «buchi», hanno ruolo fondamentale in topologia. Si dice che una ciambella ed una tazza siano topologicamente equivalenti poiché entrambi possiedono un buco, il manico nella tazza, e che siano topologicamente distinti da una sfera, che non ha buchi, o da un pretzel, che ha due buchi. 

Un fotone in presenza di un «buco», nello spazio in cui si muove può comportarsi in vari modi interessanti, ovvero può localizzarsi intorno ad esso, esserne riflesso come se il buco fosse uno specchio, oppure può orbitare indefinitamente attorno ad esso. Questi diversi comportamenti non sono accidentali, ma piuttosto dettati dalla natura topologica dell'«ambiente elettromagnetico»  e, in quanto tali, sono robusti. 

Robusti - proseguono - significa che rimangono inalterati anche quando si modifichi il sistema, purché non si alteri la sua topologia (il numero di buchi) ed alcune caratteristiche del campo elettromagnetico. Notoriamente, in elettrodinamica quantistica, quando un atomo interagisce con un fotone, può formare stati così detti «vestiti»  dotati di una natura ibrida, un po’ atomo e un po’ fotone. Nel nostro contesto, un atomo che si comporti da nodo si «veste» , quindi con un fotone che gode delle proprietà topologiche del campo elettromagnetico. Lo studio ha individuato la classe più generale di stati vestiti, studiandone le principali proprietà, in cui un atomo si comporta come un buco (vacancy in Inglese) da cui il nome di «vacancy-like dressed states» (VDS).

Sebbene siano passati inosservati fino ad oggi - concludono -  gli stati VDS sono in particolare alla base di tutti i fenomeni noti in ottica quantistica in cui gli atomi si comportano come specchi. Cosa più importante è che gli stati VDS permettono di dare una risposta esauriente alla domanda «Quando si determinano stati vestiti topologicamente protetti?» dimostrando che qualunque stato vestito topologicamente protetto è necessariamente un VDS. Uno stato siffatto può formarsi quando un atomo è accoppiato a un particolare ambiente elettromagnetico (modello di Haldane fotonico): in tal caso, l’atomo è vestito da un fotone che gli orbita perennemente attorno”.