I fisici hanno ricreato il famoso esperimento della doppia fenditura, ma con fenditure separate temporalmente anziché spazialmente. Questo ha portato alla luce risultati sorprendenti.
#
La diffrazione sulla "fenditura temporale" cambia la frequenza della luce
Prossimamente, il team vuole studiare il fenomeno in un cristallo temporale. Si tratta di un sistema quantistico in cui le proprietà ottiche cambiano nel tempo anziché spazialmente come in un cristallo convenzionale.
Spettro della Scienza
Siamo partner di Spektrum der Wissenschaft e vogliamo renderti più accessibili informazioni fondate. Segui Spektrum der Wissenschaft se ti piacciono gli articoli.
Molti ricorderanno questo esperimento durante le lezioni di fisica: quando la luce colpisce due fenditure strette e parallele, viene diffratta e crea un modello di interferenza di strisce chiare e scure su uno schermo di osservazione retrostante. L'esperimento della doppia fenditura fu eseguito per la prima volta da Thomas Young nel 1802 e fu considerato la prova che la luce si comporta come un'onda. In seguito fu ripetuto con elettroni, atomi e persino intere molecole, dimostrando che anche le particelle possono comportarsi come onde. La cosiddetta dualità onda-particella degli oggetti quantistici è una delle affermazioni chiave della meccanica quantistica. Ora i fisici hanno dimostrato che anche le particelle possono comportarsi come onde. Ora, i fisici dell'Imperial College di Londra hanno ricreato il famoso esperimento e dimostrato che un effetto di interferenza simile può verificarsi quando la luce viene incanalata attraverso fenditure separate temporalmente invece che spazialmente: Un tipo di specchio che può essere acceso e spento con estrema rapidità provoca un'interferenza in un impulso laser, proprio come una doppia fenditura, ma questo fa sì che l'impulso cambi colore. Il team descrive i risultati sulla rivista scientifica "Nature Physics".
Gli scienziati guidati da Romain Tirole hanno utilizzato un laser a infrarossi per bombardare un sottile strato di ossido di indio-stagno, un materiale semiconduttore utilizzato anche per gli schermi degli smartphone. In condizioni normali, questo materiale è trasparente alla luce infrarossa, il che significa che i raggi luminosi lo attraversano senza ostacoli. Tuttavia, i fisici hanno utilizzato un secondo laser che ha modificato le proprietà ottiche del semiconduttore per brevi istanti: la luce che arriva in questo lasso di tempo viene riflessa. Quando hanno sparato due impulsi ultracorti con il secondo laser a distanza di poche decine di femtosecondi l'uno dall'altro - e quindi hanno acceso lo specchio due volte in rapida successione - hanno notato che la forma d'onda della luce laser riflessa e quindi il colore cambiavano. Avevano inviato la luce attraverso "fenditure temporali".
Doppia fenditura | Le onde incanalate attraverso due fenditure spazialmente separate creano modelli di interferenza su uno schermo. Fonte: Wikipedia
Nella versione classica dell'esperimento della doppia fenditura, si verificano due fenomeni fisici: Diffrazione e interferenza. Il primo è causato dal fatto che la luce viene guidata attraverso una fenditura estremamente stretta: in questo modo la posizione delle particelle di luce, che sono oggetti quantistici, è fissa. Il principio di indeterminazione di Heisenberg prevede che la direzione del movimento non possa essere prevista con esattezza: l'onda luminosa si apre a ventaglio dietro la fenditura. Lo stesso accade alla fenditura vicina, per cui entrambe le onde interferiscono dietro la doppia fenditura. Come le onde sulla superficie dell'acqua, i movimenti si rafforzano e si indeboliscono, i minimi e i massimi del modello di interferenza sono distribuiti sullo schermo con un certo angolo rispetto alla sorgente luminosa.
Anche nel nuovo esperimento le fenditure temporali provocano diffrazione e interferenza, che però si manifestano in modi leggermente diversi. Anche in questo caso si applica una versione dell'incertezza di Heisenberg: se si restringe in modo estremamente stretto una componente temporale di un sistema - come fanno le fenditure temporali - la sua energia diventa ancora più imprecisa. L'energia di un'onda luminosa dipende dalla frequenza: Pertanto, la "diffrazione" nella fenditura temporale cambia la frequenza della luce. Trattandosi di una doppia fenditura temporale, l'onda luminosa può interferire con una seconda, dando luogo a un altro schema di interferenza, anche se nello spettro di frequenza. Alcuni colori si intensificano, altri si annullano.
Riccardo Sapienza, responsabile dell'esperimento e professore di fisica all'Imperial College, ha dichiarato, secondo un comunicato dell'università: "Il nostro esperimento getta luce sulla natura fondamentale della luce e serve anche come punto di partenza per lo sviluppo di nuovi materiali in grado di controllare con precisione la luce nello spazio e nel tempo". "Il risultato più impressionante e sorprendente è stato che il modello di interferenza mostrava più linee di quelle che ci si aspettava sulla base delle attuali conoscenze teoriche. Il materiale utilizzato aveva quindi cambiato le sue proprietà ottiche molto più velocemente di quanto si pensasse in precedenza: in un solo quadrilionesimo di secondo".
