Ricerca: Quando la luce diventa fluida, scoperta italo-francese

Un team italo-francese ha osservato le straordinarie proprietà di un fluido di luce. I ricercatori – Iacopo Carusotto dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr), Daniele Sanvitto dell’Istituto nanoscienze (Nano) del Cnr di Lecce, con i colleghi Alberto Bramati e Alberto Amo

dell’Università Paris6 e Cristiano Ciuti dell’Università Paris7 e Cnrs – hanno scoperto in un fluido di fotoni confinato in una nanostruttura fenomeni quantistici idrodinamici finora predetti soltanto dalla teoria, come i ‘solitoni’, una sorta di onde solitarie e permanenti. Lo studio, pubblicato sulla rivista Science, aggiunge un nuovo tassello alla conoscenza delle proprietà di un fluido luminoso e più in generale dei condensati coerenti di materia.

I fluidi di luce sono tra i fenomeni più esotici studiati dai fisici in anni recenti. “È un fenomeno che si verifica quando i fotoni, le particelle elementari che compongono la luce, sono costretti a propagarsi non più nel vuoto o in mezzi trasparenti ordinari come il vetro, ma in materiali appositamente usati per indurre forti interazioni fra loro”, spiega Carusotto, fisico teorico del Centro Bec di Trento dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr. “Succede allora che i fotoni si comportano in maniera simile alle molecole di un liquido e collettivamente danno luogo a un vero e proprio fluido luminoso, che ha la fondamentale caratteristica di conservare precisa memoria della natura quantistica dei fotoni che lo costituiscono”.

I ricercatori sono stati in grado di creare un fluido di luce, confinando i fotoni in una nanostruttura a semiconduttore, e di studiare in dettaglio i processi microscopici che si generano quando il fluido incontra un ostacolo.

“A basse velocità il fluido di fotoni ha le caratteristiche tipiche di un superfluido, ovvero è capace di aggirare l’ostacolo per poi riprendere a scorrere come se nulla fosse accaduto”, spiega Daniele Sanvitto. “A velocità più alte si generano vortici e moti turbolenti dovuti a fenomeni di attrito, ma mentre in un fluido tradizionale i mulinelli ruotano a velocità piccole e a piacere, nel fluido quantistico la velocità di rotazione può solo essere un multiplo intero della costante di Planck”. In particolare, prosegue il ricercatore di Nano-Cnr, che ha seguito la parte sperimentale dello studio, “per la prima volta si è vista la formazione di lunghi canali persistenti a valle dell’ostacolo, i cosiddetti ‘solitoni idrodinamici’: questi oggetti sono l’analogo quantistico delle onde solitarie che si propagano sulla superficie dell’acqua, ma qui la loro robustezza discende direttamente dalla natura quantistica del fluido”.

Lo studio ha mostrato che con i fluidi di luce si può generare e studiare, fino quasi a temperatura ambiente, una classe di fenomeni che finora era possibile osservare solo nell’elio superfluido o in condensati di Bose-Einstein di atomi ultrafreddi, sistemi che richiedono temperature prossime allo zero assoluto.

Per i ricercatori lo studio avrà successivi sviluppi: “Le tecniche spettroscopiche avanzate messe a punto all’Istituto nanoscienze Cnr di Lecce”, conclude Daniele Sanvitto, “ci permettono di ricostruire la dinamica completa del fluido, con una  risoluzione spaziale dei milionesimi di metro e temporale del picosecondo (milionesimo di milionesimo di secondo)”.

Immagine : Luce laser sul semiconduttore, al suo interno i fotoni si ‘addensano’ in un fluido