Ibridazione molecolare attraverso il vuoto
Le interazioni tra atomi e molecole sono facilitate dai campi elettromagnetici. Più grande è la distanza tra i partner coinvolti, più deboli sono le interazioni reciproche. Affinché le particelle siano in grado di formare legami chimici naturali, la distanza tra loro deve essere approssimativamente pari al loro diametro. Utilizzando un risonatore ottico che altera fortemente il vuoto quantistico, gli scienziati del Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) sono riusciti per la prima volta a "legare" otticamente diverse molecole a distanze maggiori.
I fisici stanno così creando sperimentalmente stati sintetici di molecole accoppiate, gettando così le basi per lo sviluppo di nuovi stati ibridi luce-materia.
Atomi e molecole hanno livelli energetici discreti e chiaramente definiti. Quando vengono combinati per formare una nuova molecola, gli stati energetici cambiano. Questo processo viene definito ibridazione molecolare ed è caratterizzato dalla sovrapposizione degli orbitali degli elettroni, cioè delle aree in cui risiedono tipicamente gli elettroni. Tuttavia, a una scala di pochi nanometri, l'interazione diventa così debole che le molecole non sono più in grado di comunicare tra loro
Un team guidato dal professor Vahid Sandoghdar, direttore del MPL e responsabile della divisione "Nano-Optics", è riuscito per la prima volta ad accoppiare molecole spazialmente separate attraverso un campo di vuoto modificato in un microresonatore ottico.
All'interno di un microresonatore plano-concavo di alta qualità, cioè tra due specchi di qualità eccezionale, è possibile immagazzinare la luce per un lungo periodo di tempo. Gli scienziati hanno inserito un microcristallo di antracene drogato con specifiche molecole di colorante nel risonatore, che ha una dimensione di pochi micrometri. Utilizzando la spettroscopia laser ad alta risoluzione, il team ha poi studiato l'interazione delle molecole e la loro ibridazione con la modalità del risonatore. L'emergere di nuove caratteristiche nello spettro risultante indica alterazioni degli stati energetici molecolari, come i cosiddetti modi subradianti e superradianti: Gli stati subradianti emettono meno fortemente di prima, mentre gli stati superradianti interagiscono più fortemente con la luce.
Una conseguenza notevole dell'ibridazione di due molecole è che esse possono essere elevate allo stato eccitato contemporaneamente. Ciò significa che non sono più completamente indipendenti l'una dall'altra. Per ottenere questo risultato, due fotoni vengono assorbiti dal risonatore. In questo lavoro è stata realizzata per la prima volta un'eccitazione a due fotoni di due molecole molto distanti tra loro. Da solo, ogni fotone non mostra alcun effetto, ma insieme attivano entrambe le molecole simultaneamente. Né le molecole né i fotoni possono agire da soli - ma in armonia, ci riescono.
Sandoghdar: "Gli stati quantistici sono di solito molto fragili, quindi è una sfida accoppiare più molecole insieme"
"Il nostro lavoro getta le basi per lo sviluppo di nuovi stati in cui le particelle materiali, come le molecole, sono 'incollate' insieme con la luce. L'indagine di un numero precisamente definito di emettitori interagenti è anche un importante elemento costitutivo per l'elaborazione di informazioni quantistiche e quindi di grande interesse per la tecnologia quantistica", aggiunge Sandoghdar.
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