Interazioni esotiche tra atomi mediate da luce non-Hermitiana: lo studio di un team di ricercatori UniPa pubblicato su Optica

Lo studio dal titolo “Exoticinteractions mediated by a non-Hermitian photonic bath” condotto da un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica e Chimica “Emilio Segrè” (DiFC) dell’Università degli Studi di Palermo, è stato pubblicato sulla rivista scientifica Optica.

Il gruppo di ricerca – composto da Federico Roccati, Salvatore Lorenzo, Massimo Palma, Angelo Carollo e Francesco Ciccarello del DiFC, in collaborazione con Giuseppe Calajò dell’ICFO-Institute of Photonic Sciences ed ex-studente UniPa – ha dimostrato che la dissipazione, ovvero la perdita irreversibile di energia, può avere un ruolo benefico nel generare interazioni “esotiche” tra atomi.

«Quando due o più atomi sono “immersi” in un reticolo fotonico le cui perdite siano opportunamente ingegnerizzate, possono sentire interazioni reciproche aventi caratteristiche esotiche quali unidirezionalità e corto raggio – spiegano dal team di ricerca. – Qualsiasi sistema fisico è soggetto a dissipazione – scambi di “quanti” di energia con l’ambiente – che tipicamente deteriora, in particolare, le proprietà puramente quantistiche del sistema. In condizioni usuali, descrivere l’evoluzione di un sistema tenendo conto della dissipazione non introduce nulla di fisicamente interessante: tuttavia negli ultimi anni diversi studi hanno mostrato – spesso anche sperimentalmente – che “ingegnerizzare” la dissipazione in modo opportuno dà luogo a effetti esotici di varia natura altrimenti impossibili. Dal punto di vista matematico e sotto opportune condizioni tali sistemi dissipativi sono descritti da cosiddette Hamiltoniane non-Hermitiane.

Ci siamo chiesti – proseguono i ricercatori – se tali effetti abbiano delle conseguenze per i processi di interazione atomo-fotone, un tradizionale campo di ricerca della fisica. A tal fine, abbiamo considerato un sistema in cui la luce, o campo elettromagnetico, è confinata all’interno di una “catena” di cavità accoppiate (cristallo fotonico) e interagisce con un certo numero di atomi. È ben noto che in tali condizioni il campo elettromagnetico è in grado di agire come “mediatore” tra atomi, cioè di farli interagire. Tali interazioni sono usualmente “reciproche” – cioè se l’atomo A interagisce con l’atomo B, allora anche B interagisce con A – e a “lungo raggio” – ovvero ogni atomo interagisce con tutti gli altri atomi. Abbiamo quindi immaginato di introdurre dissipazione ingegnerizzata solo su alcune delle cavità e calcolato gli effetti sul comportamento degli atomi, scoprendo che – variando opportunamente la quantità di dissipazione – le interazioni tra gli atomi possono essere rese completamente non-reciproche e a corto-raggio: solo gli atomi più vicini interagiscono e in modo puramente unidirezionale, cioè il primo atomo  interagisce solo con il secondo – e non viceversa – il secondo solo con il terzo, il terzo solo con il quarto, ecc. Inoltre, in modo totalmente inaspettato, gli atomi interagiscono esattamente nello stesso modo indipendentemente dal fatto che la “catena” di cavità sia chiusa o aperta. Questi risultati – concludono gli autori – introducono un nuovo paradigma in ottica quantistica – lo studio dell’interazione luce-materia a livello fondamentale – e nanofotonica quantistica, in cui la dissipazione, comunemente vista come un effetto indesiderato, permette di osservare nuovi fenomeni altrimenti irrealizzabili».

Com. Stam./foto