Misurare la luce, fino all’ultimo fotone. Measure the light up to the last photon.

Misurare la luce, fino all’ultimo fotone. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questa applicazione. / Measure the light up to the last photon. The process of the ENEA RM2012A000637 patent is very useful in this application.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr Giuseppe Cotellessa

Uno studio dell’Università di Trento accende i riflettori sul comportamento dei fotoni nel medio infrarosso: una parte ancora poco studiata dello spettro elettromagnetico. Un cambio di prospettiva che può tradursi in misurazioni sempre più accurate, con molteplici applicazioni future.

Rilevare molecole di gas, effettuare monitoraggi ambientali accurati, stabilire comunicazioni satellitari efficienti nello spazio, dare vita a nuovi tipi di semiconduttori, indispensabili per tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici di nuova generazione: tutte queste attività hanno in comune lo studio dei fotoni. Settori in grande espansione scientifica e tecnologica che ruotano attorno a computer, sensori e metodi di comunicazione sicura del futuro e che nei prossimi anni saranno oggetto di un forte investimento di ricerca e trasferimento tecnologico (oltre un miliardo di euro) da parte dell’Unione Europea nell’ambito della nuova “Quantum Technologies Flagship”. Anche Trento vuole avere un ruolo di rilievo in questa competizione scientifica internazionale e presentarsi come nodo di riferimento per le scienze e le tecnologie quantistiche. E per farlo ha messo in rete i suoi migliori talenti tra UniTrento, Fondazione Bruno Kessler e Cnr nel progetto Q@TN (Quantum at Trento).

Per progettare strumentazioni sempre più precise, occorre investire in misurazioni sofisticate che siano capaci di misurare le proprietà dei singoli fotoni. Questa è una sfida aperta per la fisica quantistica perché il segnale prodotto da particelle isolate è bassissimo. Lo è, in particolare, per quanto riguarda singoli fotoni con un colore nel medio infrarosso. Il medio infrarosso è una porzione della più ampia radiazione infrarossa, quella radiazione elettromagnetica con banda di frequenza dello spettro inferiore alla luce visibile ma superiore alle onde radio. A causa del rumore a cui sono soggetti i rilevatori standard, non è possibile il loro utilizzo in misurazioni in cui è richiesta questa estrema sensibilità. Eppure lo studio dei fotoni che si trovano in questa parte specifica dello spettro infrarosso è la chiave per sviluppare applicazioni interessanti in numerosi ambiti di innovazione tecnologica: dallo spazio allo sviluppo di nuove sorgenti di fotoni per la crittografia quantistica, dallo studio dell’assorbimento di molecole gassose alla medicina.

L’unica soluzione finora ipotizzata per indagare questa porzione dello spettro è stata quella di impiegare anche nel medio infrarosso sensori ottici realizzati con materiali superconduttori, che però devono essere mantenuti a temperature estremamente basse per poter funzionare. Ma cosa succede se invece si modifica il colore della luce, in modo da renderlo visibile e quindi misurabile con un sensore ottico di quelli che si trovano nei nostri telefonini? Quest’idea, detta “traslazione spettrale”, è stata dimostrata in uno studio made in Trento, pubblicato nei giorni scorsi sulla prestigiosa rivista Nature Communication. Mattia Mancinelli, Alessandro Trenti e i loro colleghi del Laboratorio di Nanoscienza del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento hanno messo a punto uno speciale traslatore spettrale ad alta efficienza che, abbinato ad un sensore ottico, ha permesso per la prima volta di contare i singoli fotoni nel medioinfrarosso uno ad uno.

Di più, sono state fatte anche misure di coppie di fotoni intrecciati, sempre nel medio infrarosso. Fotoni intrecciati a coppie sono prodotti da sorgenti di luce quantistica. In queste, infatti, i fotoni sono emessi intimamente correlati (o entangled, per usare un termine tecnico): osservare questa caratteristica è proprio ciò che permette di sfruttare le loro proprietà per applicazioni delle tecnologie quantistiche nella regione spettrale dove sono presenti le impronte digitali delle varie molecole o dove l’atmosfera è particolarmente trasparente per lasciar passare inalterati i fotoni.

Il sensore di singoli fotoni dimostrato a Trento, ha alcune caratteristiche che lo rendono adatto a futuri impieghi in ambito industriale: il funzionamento a temperatura ambiente, la facilità di interfacciarsi con la fibra ottica e l’integrazione in un chip di silicio. “La nostra attenzione come ricercatori è concentrata sull’indagine delle proprietà di fotoni entangled nel medio-infrarosso che finora non erano accessibili”, commenta Alessandro Trenti. “Ma le applicazioni del sistema che abbiamo sviluppato sono senz’altro interessanti per il settore industriale. Il nostro obiettivo è quello di superare i limiti dei sistemi classici di misurazione, per sviluppare approcci innovativi nell’ambito delle tecnologie quantistiche”.

Il lavoro di ricerca è stato possibile grazie ad una proficua collaborazione tra il laboratorio di Nanoscienze dell’Università di Trento e DTU (Technical University of Denmark). A questo lavoro, ha contribuito anche Sara Piccione, dottoranda di fisica al primo anno, che proprio per questa invenzione ha vinto un premio del Rotary Club. La pubblicazione dell’articolo su Nature Communication è un traguardo ulteriore per Alessandro Trenti che va ad aggiungersi al riconoscimento ottenuto lo scorso anno con il prestigioso Best student paper award alla conferenza internazionale “SPIE Photonics Europe, Nonlinear optics and its applications” che si è tenuta a Bruxelles agli inizi di aprile 2016.

ENGLISH

A study by the University of Trento lights the spotlight on the behavior of photons in the medium infrared: a still underdeveloped part of the electromagnetic spectrum. A change of perspective that can result in more accurate measurements, with multiple future applications.

Detecting gas molecules, conducting accurate environmental monitoring, establishing efficient satellite communications in space, creating new types of semiconductors, indispensable for all major new generation electronic and microelectronic devices: all of these activities have a common photon study. Expanding scientific and technological fields that spin around computers, sensors and secure communication methods of the future and that in the coming years will be the subject of a strong research and technological transfer investment (over one billion euros) by the European Union Within the new "Quantum Technologies Flagship". Trento also wants to play an important role in this international scientific competition and present itself as a reference point for quantum science and technology. And to do so, he puts together his best talents between UniTrento, the Bruno Kessler Foundation and Cnr in the Q @ TN (Quantum at Trento) project.

To design more accurate instrumentation, we need to invest in sophisticated measurements that are capable of measuring the properties of individual photons. This is an open challenge for quantum physics because the signal produced by isolated particles is very low. This is, in particular, with regard to individual photons with a medium infrared color. The infrared medium is a portion of the largest infrared radiation, the electromagnetic radiation with spectrum frequency band lower than visible light but superior to radio waves. Because of the noise to which standard detectors are subjected, it is not possible to use them in measurements where this extreme sensitivity is required. Yet the study of photons in this part of the spectrum of infrared spectrum is the key to developing interesting applications in many areas of technological innovation: from space to the development of new photon sources for quantum encryption, from the study of molecular absorption Gasses to medicine.

The only solution hitherto supposed to investigate this portion of the spectrum has been to use in the medium infrared optical sensors made of superconducting materials, but they have to be kept at extremely low temperatures in order to function. But what if the color of the light is changed to make it visible and then measurable with an optical sensor of those in our phones? This idea, called "spectral translation", was demonstrated in a studio made in Trento, published recently in the prestigious Nature Communication magazine. Mattia Mancinelli, Alessandro Trenti and their colleagues at the Nanoscience Laboratory of the Department of Physics at the University of Trento have developed a special high-efficiency spectral translator that, in conjunction with an optical sensor, allowed for the first time counting individual Photons in the medium infrared one to one.

Moreover, measurements of paired photon pairs have also been made, always in the medium infrared. Coupled photons are produced by quantum light sources. In fact, photons are emanating intimately (or entangled, to use a technical term): to observe this feature is precisely what makes it possible to exploit their properties for quantum technology applications in the spectral region where fingerprints are present Various molecules or where the atmosphere is particularly transparent to allow the photons to pass unaltered.

The single-photon sensor shown in Trento has some features that make it suitable for future industrial uses: room temperature operation, ease of interfacing with fiber optic and integration into a silicon chip. "Our focus as a researcher focuses on the survey of entangled middle-infrared photon properties that so far were not accessible," says Alessandro Trenti. "But the applications of the system we have developed are certainly interesting for the industrial sector. Our goal is to overcome the limits of classical measurement systems to develop innovative approaches in quantum technologies. "

The research work has been possible thanks to a profitable collaboration between the Nanoscience Laboratory of the University of Trento and the DTU (Technical University of Denmark). This work was also helped by Sara Piccione, PhD in the first year, who for this invention has won a Rotary Club award. The publication of the article on Nature Communication is another milestone for Alessandro Trenti, adding to the Recognition obtained last year with the prestigious Best Student Paper Award at the international conference "SPIE Photonics Europe, Nonlinear Optics and its Applications", which was held in Brussels in early April 2016.

Da:

https://www.galileonet.it/2017/05/misurare-la-luce-fino-allultimo-fotone/?utm_campaign=Newsatme&utm_content=Misurare%2Bla%2Bluce%2C%2Bfino%2Ball%E2%80%99ultimo%2Bfotone&utm_medium=news%40me&utm_source=mail%2Balert