Il primo circuito integrato fotonico al mondo per la manipolazione degli atomi

I circuiti elettronici integrati sono probabilmente la tecnologia più significativa del XX secolo. Abilitando, tra le altre cose, l'industria dei computer, hanno cambiato il nostro modo di lavorare e giocare in una misura senza precedenti.

Gli equivalenti fotonici di questi dispositivi sono stati altrettanto impegnativi da sviluppare e sono ampiamente utilizzati per manipolare e controllare i segnali nelle fibre ottiche. Ma è giusto dire che devono ancora raggiungere il loro pieno potenziale.

Una possibilità gravida di potenziale è la capacità della luce di manipolare e influenzare i singoli atomi. I fisici usano regolarmente la luce per intrappolare atomi e ioni in nome della scienza. Questo ha tutti i tipi di applicazioni importanti, dalla comunicazione quantistica alla lettura dell'ora.

Ma i dispositivi che fanno tutto questo sono ben oltre la portata di chiunque sia abbastanza sfortunato da non possedere un laboratorio di ottica ben attrezzato.

I circuiti integrati fotonici potrebbero cambiarlo. Offrono la possibilità di utilizzare la luce per manipolare singoli atomi in piccole unità autonome relativamente economiche da realizzare e facili da utilizzare.

Oggi, Jeff Kimble del California Institute of Technology di Pasadena e alcuni amici affermano di aver costruito il primo esempio di un dispositivo del genere. Riportiamo lo sviluppo del primo circuito ottico integrato con un cristallo fotonico in grado sia di localizzare che di interfacciare atomi con fotoni guidati nel dispositivo, dicono.

I cristalli fotonici sono utili perché le loro proprietà ottiche sono determinate dalla geometria fisica, dalla dimensione della guida d'onda e così via. Ciò consente loro di essere sintonizzati con precisione per trasportare solo determinate lunghezze d'onda della luce.

Il nuovo dispositivo è un cristallo fotonico fatto di nitruro di silicio che funge da guida d'onda per la luce laser. Il trucco che Kimble e co hanno perfezionato è costruirlo per trasportare la luce sintonizzata su determinate transizioni atomiche nel cesio. Quando un atomo di cesio assorbe e disperde queste lunghezze d'onda, il processo genera forze che possono essere utilizzate per intrappolare e manipolare l'atomo.

Il cristallo fotonico è integrato in un sistema che fornisce una pronta fornitura di atomi di cesio e il risultato è un circuito integrato in grado di manipolare singoli atomi di cesio.

Kimble e co l'hanno messo alla prova e dicono che funziona bene e offre un enorme potenziale. L'integrazione della nanofotonica e della fisica atomica è stato un obiettivo a lungo cercato che avrebbe aperto nuove frontiere per la fisica ottica, affermano.

Le applicazioni sono numerose. Questo tipo di dispositivo sarà un importante elemento costitutivo di alta qualità per il calcolo e la comunicazione quantistica, poiché gli atomi possono memorizzare e manipolare le informazioni trasportate dai fotoni.

Ma gli atomi possono anche agire come altri tipi di componenti ottici, emettendo luce con un'efficienza quasi perfetta o riflettendola come uno specchio. E avere molti atomi che interagiscono tra loro e con i fotoni dovrebbe fornire alcune interessanti opportunità sperimentali per i fisici. La forte interazione tra la risposta ottica e le grandi forze ottiche di molti specchi atomici può dare origine a interessanti comportamenti opto-meccanici, come l'auto-organizzazione, affermano Kimble e co.

Quindi questo è un interessante dispositivo di prova del principio che potrebbe rendere possibile una nuova generazione di esperimenti nanofotonici. È difficile sostenere in questa fase che questi tipi di circuiti fotonici integrati formeranno le viscere dei dispositivi prodotti in serie, come hanno fatto i circuiti elettronici integrati. Ma è altrettanto difficile sostenere che non lo faranno mai. Solo il tempo lo dirà!

Rif: arxiv.org/abs/1312.3446 : Interazioni Atomo-Luce nei Cristalli Fotonici

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