Fisica quantistica, giunzione Josephson anche nei superfluidi di luce

giunzione josephson

La giunzione Josephson, un fenomeno quantistico che avviene tra superconduttori separati da un isolante, si può realizzare anche con la luce, in superfluidi quantistici di polaritoni. A dimostrarlo è un team del Cnr-Nanotec che per la prima volta ha osservato la formazione di una giunzione Josephson artificiale in fluidi di luce interagente.

Lo studio, condotto in collaborazione con l’Istituto di fisica dell’Accademia polacca delle scienze e pubblicato su Nature Photonics, offre nuove possibilità di ricerca in fisica fondamentale e di sviluppo di nuove applicazioni.

La giunzione Josephson

Basata sull’effetto tunnel della meccanica quantistica, la giunzione Josephson prende il nome dallo scienziato Brian D. Josephson che nel 1962 ne teorizzò l’esistenza. Oggi è alla base di svariate applicazioni, come ad esempio gli Squid, i dispositivi di interferenza quantistica a superconduttore che permettono misure di campo magnetico con una precisione estremamente elevata. Ed è parte integrante, tra gli altri, degli scanner ultrasonori a risonanza magnetica (MRI) utilizzati in medicina.

Manipolare fluidi quantistici di luce

Nell’ultimo decennio, la creazione di nuovi materiali ha portato alla realizzazione di dispositivi in cui la luce si comporta come un fluido quantistico – con caratteristiche di superfluidità, superconduzione e condensazione di Bose-Einstein – su scala macroscopica, ovvero in sistemi con migliaia di particelle. Nell’articolo pubblicato su Nature Photonics in collaborazione con l’Istituto di fisica dell’Accademia polacca delle scienze, i ricercatori dell’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nanotec) di Lecce hanno dimostrato che è possibile realizzare una giunzione Josephson (JJ) in superfluidi quantistici di polaritoni.

“Questa definizione è poco comprensibile per i non addetti ai lavori ma si tratta di un fenomeno molto particolare che si può osservare al confine tra due fluidi quantistici di luce”, spiega Dario Ballarini, ricercatore Cnr-Nanotec. Immaginiamo, semplifica il fisico, a quando l’oceano Pacifico e il mar glaciale Artico si incontrano: apparentemente non si mischiano, a causa dei diversi gradi di salinità, densità e temperatura delle acque, e tra loro si crea un confine ben definito. “Noi per la prima volta abbiamo osservato qualcosa di analogo tra fluidi di luce interagente, dove si è formata una vera e propria giunzione Josephson artificiale, dovuta alla differenza di fase dei due fluidi quantistici”. La differenza di fase è come uno scalino, un dislivello tra i due fluidi.

giunzione Josephson Nature Photonics

Gli autori dello studio pubblicato su Nature Photonics hanno trovato un modo per generare tale ‘scalino’ in un fluido quantistico polaritonico, un fluido di luce che ‘vive’ dentro un dispositivo a semiconduttore. “E’ stato sorprendente osservare la formazione di una giunzione di Josephson artificialmente creata con raggi laser sul nostro fluido polaritonico, e anche di veder nascere vortici quantistici ai bordi della giunzione“, racconta Ballarini. I vortici di Josephson, mulinelli con momento angolare quantizzato, sono molto difficili da osservare sia nei superconduttori sia nei fluidi quantistici standard (atomi freddi ed elio liquido). Ma utilizzando condensati di polaritoni, controllabili con la luce, i ricercatori hanno potuto generare specifici salti di velocità del fluido, come cascate, riuscendo così a generare e misurare i mulinelli quantistici”.

Fisica fondamentale e nuove applicazioni

“Questa nuova tecnologia può contribuire sia nel campo della fisica fondamentale allo studio delle dinamiche di fluidi quantistici fuori dall’equilibrio, sia allo sviluppo di nuove applicazioni, campi dove è importante una elevata sensibilità nella misurazione, di imaging ad alta risoluzione o nel campo dell’elaborazione quantistica”, dice Daniele Sanvitto, coordinatore del progetto di ricerca del Cnr-Nanotec. “Nel nostro studio”, va avanti il ricercatore, “la temperatura operativa è limitata dal particolare tipo di semiconduttore utilizzato, ma il nostro risultato può essere facilmente esteso a temperatura ambiente, utilizzando semiconduttori organici o ibridi, come abbiamo già fatto in passato per dimostrare ad esempio la superfluidità”.

Riferimenti: Nature Photonics

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