Gli oggetti macroscopici nel regime quantistico

Inclusa tra le tappe fondamentali, o Milestone, dalla prestigiosa rivista scientifica Nature, l’optomeccanica delle cavità sfrutta l’interazione tra fotoni e specchi in esperimenti table-top, permettendo di studiare gli oggetti macroscopici in un regime in cui gli effetti quantistici diventano evidenti, con interessanti applicazioni pratiche in settori come la fotonica del silicio e il rilevamento.

Un diffuso protocollo sperimentale sfrutta una piccola cavità ottica che confina la luce in tutte le direzioni, in abbinamento con un oscillatore meccanico. La pressione di radiazione, cioè la pressione esercitata su qualsiasi superficie esposta alle radiazioni elettromagnetiche, può essere utilizzata per raffreddare un risonatore meccanico verso uno stato di movimento quantistico di base. Questo sistema è stato l’oggetto di studio del progetto QPOS (“Quantum phenomena in optomechanical systems”), finanziato dall’UE.

Tutti gli esperimenti hanno combinato il raffreddamento criogenico passivo con il raffreddamento ottico. Il team ha sviluppato una nuova configurazione composta da un nanoraggio di nitruro di silicio accoppiato elettromagneticamente o, più specificamente, evanescentemente a un risonatore a microdisco in silice, ottenendo un’elevata cooperatività, misura della forza di accoppiamento, che rende possibili numerosi esperimenti di diverso tipo.

Sfruttando questo sistema, il team ha condotto un lungo studio sul raffreddamento basato sul feedback, una tecnica che sfrutta lo spostamento dell’oscillatore per applicare all’oscillatore stesso una forza ad esso correlata, con un ciclo di feedback. Gli scienziati sono riusciti a raffreddare il modo meccanico fondamentale di una nanostringa fino a 5-10 fononi, una misura delle oscillazioni collettive nella materia condensata. I risultati sono in fase di elaborazione in un documento.

In altri esperimenti, gli scienziati hanno dimostrato il significativo riscaldamento dovuto all’assorbimento ottico, che è necessario ridurre al fine di ottenere un protocollo più rigoroso. Il team ha inoltre sviluppato una configurazione e calcoli teorici per lo studio di un’altra fonte di perdita meccanica, adsorbimento e scattering dei fononi, costituita da un risonatore optomeccanico ad alta frequenza con basse perdite di clamping, che verrà presto implementato in esperimenti a basse temperature.

Il progetto QPOS è riuscito a sviluppare configurazioni innovative per lo studio delle interazioni optomeccaniche nella transizione dal regime classico a quello quantistico. L’implementazione di alcune di esse ha già permesso di ottenere risultati interessanti, che saranno presentati in varie pubblicazioni.