La prima foto della luce come particella e onda / The first photo of light as particle and wave

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

La natura duale della luce ha fatto ammattire generazioni di studenti di fisica nell’ultimo secolo. E non solo, dato che all’inizio del Novecento suscitava alcune difficoltà anche tra alcuni degli scienziati dell’epoca. Oggi i ricercatori dell’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) sono riusciti a catturare per la prima volta in un’unica foto entrambi gli stati della luce, riuscendo in un’impresa tutt’altro che semplice.

La foto che potete vedere in questa pagina è una diretta osservazione dell’interferenza spaziale e della quantizzazione dell’energia della luce. Altri tentativi precedenti erano riusciti a catturare la natura ondulatoria o quella particellare, ma non contemporaneamente.

Tutta colpa di Albert Einstein
È stato Albert Einstein che, per primo, ha proposto la natura duale della luce e l’ha spiegata con la meccanica quantistica. I ricercatori del politecnico svizzero sono riusciti a immortalarla grazie a una tecnica fotografica poco ortodossa. Per catturare l’immagine hanno sfruttato un particolare microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce (è solo uno dei due che esistono al mondo) che sfrutta elettroni con particolari energie (Energy filtered transmission electron microscopy).

Per prima cosa i ricercatori hanno sparato un fascio laser su un filo metallico sottilissimo, intrappolando la radiazione luminosa sotto forma di onda stazionaria, il cui profilo non cambia al passare del tempo.

Dopo il laser, il flusso di elettroni
A questo punto gli scienziati hanno sparato un flusso di elettroni a ridosso del filo “costringendoli” a interagire con l’onda luminosa, cioè con i fotoni che costituiscono la componente particellare della luce. Gli urti tra fotoni ed elettroni avvengono attraverso lo scambio di quanti di energia che modificano la velocità iniziale degli elettroni.
Lo scambio di questi “pacchetti di energia” tra elettroni e fotoni è il segnale che la luce si sta comportando anche come una particella. Così, “fotografando” questi scambi di energia, gli scienziati hanno identificato, di fatto, la posizione dei fotoni disseminati lungo l’onda luminosa. Immortalando in un colpo solo la natura corpuscolare e ondulatoria della luce.

Misurata per la prima volta la ‘forma’ del fotone, adesso anche la luce ha un’immagine!

Come l’acqua in uno dei romanzi di Andrea Camilleri, anche la luce non ha una forma propria ma assume quella del ‘recipiente’ che la contiene. In particolare, un qualsiasi stato quantistico della luce non è altro che una maniera specifica di occupare questo ‘contenitore vuoto’, il cosiddetto ‘modo’, che descrive la forma spaziale e temporale del campo elettromagnetico. Ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche di Sesto Fiorentino (Ino-Cnr), guidati da Marco Bellini e Alessandro Zavatta, hanno dimostrato una tecnica che unisce per la prima volta concetti dell’ottica quantistica e di quella ultraveloce, per misurare e analizzare la forma di stati quantistici luminosi della durata di poche decine di femtosecondi. La ricerca è in corso di pubblicazione su Physical Review Letters.

“Per esempio, un singolo fotone, che corrisponde al riempimento del ‘contenitore’ con un solo quanto di eccitazione, può assumere infinite forme diverse a seconda del modo che occupa”, afferma Marco Bellini, responsabile del gruppo Ino-Cnr che ha svolto la ricerca, “e la maggior parte delle possibili applicazioni delle proprietà quantistiche della luce a nuove tecnologie quali comunicazione, computazione o metrologia quantistica dipende dalla perfetta conoscenza di tale forma”.

Se non si possiede tale conoscenza, manipolare, rivelare e utilizzare gli stati quantistici di luce diventa poco efficiente o addirittura impossibile. “Il nostro team di ricerca ha mostrato come copiare fedelmente il modo temporale di un fotone ultracorto su quello di un impulso luminoso classico, così da poterlo misurare in dettaglio con tecniche standard”, continua Bellini. “Per farlo, abbiamo utilizzato un algoritmo genetico, cioè una procedura sperimentale che fa ‘evolvere’ per mutazioni e riproduzioni un gruppo casuale, affinché si adatti alle condizioni ambientali attraverso generazioni successive”.

Oltre ad aver ricostruito le strutture temporali di singoli fotoni variamente deformati, i ricercatori Ino-Cnr hanno anche dimostrato come utilizzare questa capacità per nuovi schemi di codifica dell’informazione quantistica. “La tecnica consente di misurare il singolo fotone anche quando assume simultaneamente più forme distinte”, aggiunge il ricercatore. “Se si assegnano alle varie forme assumibili dal fotone le diverse lettere dell’alfabeto, saremo poi in grado di leggere non soltanto tali lettere, ma anche tutte le loro sovrapposizioni quantistiche. La possibilità di utilizzare un alfabeto composto da molte lettere e dalle loro sovrapposizioni coerenti, per la comunicazione quantistica, offrirebbe enormi vantaggi rispetto agli schemi standard di codifica basati su ‘qubit’, cioè su un ‘alfabeto’ con due soli possibili stati di polarizzazione della luce. Questi risultati aprono quindi interessanti prospettive sia di tipo fondamentale, per una migliore comprensione e analisi del comportamento quantistico della luce, sia applicative, in tecnologie quantistiche sempre più sicure, efficienti e innovative”.

Scoperta la forma della struttura elettromagnetica della luce.

Che forma ha la struttura elettromagnetica della luce? Era uno dei misteri della fisica fino a quando dieci anni fa, una teoria azzardò che nella struttura elettromagnetica della luce potessero celarsi piccoli nastri di Möbius, una figura geometrica estremamente rara in natura, in cui un nastro si richiude su se stesso dopo una mezza torsione fino a unire  una faccia con l’altra. Ora la loro effettiva esistenza nella struttura della luce è stata finalmente dimostrata sperimentalmente per la prima volta, da parte di una collaborazione internazionale a cui ha partecipato anche l’Istituto Spin del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr), i cui risultati sono stati appena pubblicati online sulla rivista Science.

“Per meglio comprendere tali strutture, bisogna partire dalla natura di onda elettromagnetica della luce”, spiega Lorenzo Marrucci di Spin-Cnr. “In un fascio luminoso ci sono un campo elettrico e un campo magnetico che oscillano ad altissima frequenza. Seguendo nel tempo l’oscillazione del campo elettrico dell’onda, per esempio, si scopre che in certe condizioni essa tende ad avvenire in una direzione ben precisa nello spazio, che definisce la cosiddetta polarizzazione della luce. La direzione di polarizzazione non è però necessariamente uniforme, può variare da punto a punto”.

Di solito tali variazioni sono limitate e quindi non definiscono strutture troppo complicate. “In opportune condizioni di preparazione del fascio di luce, realizzabili mediante l’utilizzo di una tecnologia innovativa sviluppata proprio nel nostro gruppo di ricerca di Napoli, si può ottenere invece un fascio di luce la cui direzione di polarizzazione varia nello spazio in modo da descrivere un nastro di Möbius, percorrendo un giro attorno all’asse del fascio”, prosegue Marrucci. “Questo si verifica solo in una regione di spazio molto piccola, dell’ordine di pochi micrometri, in prossimità del punto focale del fascio. La visualizzazione di tale complessa struttura tridimensionale su scala nanometrica ha pertanto richiesto una tecnologia anch’essa del tutto innovativa, sviluppata solo l’anno scorso in Germania”.

La collaborazione di ricerca, oltre a Lorenzo Marrucci e Andrea Rubano di Cnr-Spin di Napoli, include anche Enrico Santamato dell’Università di Napoli Federico II, un gruppo canadese ed uno tedesco. Questo risultato potrà trovare applicazione nella scrittura ottica di nano-strutture complesse in materiali fotosensibili, mirata ad ottenere materiali funzionali dalle proprietà innovative.

ENGLISH

The dual nature of light has enlightened generations of physics students in the last century. And not only, since at the beginning of the twentieth century there were some difficulties even among some of the scientists of the time. Today, researchers at the École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) have been able to capture the light of the light for the first time in a single photo, succeeding in a company far from simple.

The photo you can see on this page is a direct observation of space interference and quantization of light energy. Other previous attempts were made to capture wave or particle nature, but not simultaneously.

All the fault of Albert Einstein

It was Albert Einstein who first proposed the dual nature of light and explained it with quantum mechanics. The researchers of the Swiss Polytechnic have succeeded in immortalizing it through an unorthodox photographic technique. To capture the image they exploited a particular ultra-fast electronic microscope (it's just one of the two that exist in the world) that uses energy-driven electron microscopy.

First, the researchers fired a laser beam on a thin wire, trapping light radiation in the form of a stationary wave whose profile does not change over time.

After the laser, the flow of electrons.

At this point, scientists fired a stream of electrons close to the wire "forcing them" to interact with the bright waves, that is, with the photons that make up the particle of light. The bumps between photons and electrons occur through the exchange of as many of the energy that change the initial velocity of the electrons.

The exchange of these "energy packages" between electrons and photons is the signal that light is also behaving as a particle. So, "photographing" these exchanges of energy, scientists have, in fact, identified the position of the photons scattered along the bright waves. Immortalizing in one stroke only the corpuscular and wavering nature of light.

Measured for the first time the 'shape' of the photon, now the light has an image!

Like water in one of Andrea Camilleri's novels, even light does not have its own form but takes on the 'container' that contains it. In particular, any quantum state of light is nothing more than a specific way of occupying this 'empty container', the so-called 'mode', which describes the spatial and temporal form of the electromagnetic field. Researchers of the National Institute of Optics of the National Research Council of Sesto Fiorentino (Ino-Cnr), led by Marco Bellini and Alessandro Zavatta, have demonstrated a technique that combines for the first time concepts of quantum and ultra-fast optics Measure and analyzes the form of luminous quantum states of a few tens of femtoseconds. Research is being published in Physical Review Letters.

"For example, a single photon, which corresponds to filling the 'container' with just one excitement, can take endless forms depending on the way it occupies," says Marco Bellini, head of the Ino-Cnr group Research, "and most of the possible applications of quantum light properties to new technologies such as communication, computation or quantum metrology depend on the perfect knowledge of that form."

If you do not possess that knowledge, manipulate, reveal and use quantum light states becomes unworkable or even impossible. "Our research team has shown how to faithfully copy the temporal mode of an ultraportable photon on that of a classic light pulse so that it can be measured in detail with standard techniques," Bellini continues. "To do this, we used a genetic algorithm, that is, an experimental procedure that evokes a random group of mutations and reproductions to adapt to environmental conditions through successive generations."

In addition to reconstructing the temporal structures of differently deformed individual photons, Ino-Cnr researchers have also demonstrated how to use this capability for new quantum information encoding schemes. "The technique allows you to measure the single photon even when it simultaneously receives multiple distinct shapes," the researcher adds. "If we assign the different letters of the alphabet to the various forms obtainable from the photon, then we will be able to read not only those letters but also all their quantum overlays. The ability to use an alphabet consisting of many letters and their coherent overlays for quantum communication would offer enormous advantages over the qubit standard encoding schemes, that is, on an alphabet with only two possible polarization states of the light. These results, therefore, open interesting perspectives of fundamental importance, for a better understanding and analysis of quantum light behavior, and in applications, in increasingly secure, efficient and innovative quantum technologies. "

Discovered the shape of the electromagnetic light structure.

What shape has the electromagnetic structure of light? It was one of the mysteries of physics until ten years ago, a theory that the electromagnetic light structure could conceal small Möbius ribbons, an extremely rare geometrical figure in which a ribbon closes on itself after half a twist Until you join one another face. Now their real existence in the light structure has finally been experimentally demonstrated for the first time by an international collaboration with which the Spin Institute of the National Research Council (Cnr) has also participated, whose results have just been published Online in Science magazine.

"To better understand these structures, one must start from the nature of the electromagnetic wave of light," says Lorenzo Marrucci of Spin-Cnr. "In a light beam, there is an electric field and a magnetic field that oscillate at very high frequency. As time goes by, the oscillation of the electric field of the wave, for example, reveals that in certain conditions it tends to occur in a very precise direction in space, which defines the so-called polarization of light. However, polarization is not necessarily uniform, it can vary from point to point. "

Such variations are usually limited and therefore do not define too complicated structures. "Under appropriate conditions for the preparation of the beam of light, achievable by the use of an innovative technology developed precisely in our Naples research group, we can instead get a beam of light whose direction of polarization varies in space so as to describe A Möbius tape, running around the beam axis, "Marrucci continues. "This only occurs in a very small space region, in the order of a few micrometers, near the focal point of the beam. The visualization of this complex nano scale three-dimensional structure, therefore, required a completely innovative technology, developed only last year in Germany. "

Research collaboration, in addition to Lorenzo Marrucci and Andrea Rubano of Cnr-Spin in Naples, includes Enrico Santamato of the University of Naples Federico II, a Canadian group and a German. This result can be applied in the optical writing of complex nanostructures in photosensitive materials, aimed at obtaining functional materials with innovative properties.

Da:

http://aulascienze.scuola.zanichelli.it/2015/03/09/la-prima-foto-della-luce-come-particella-e-onda/

http://www.meteoweb.eu/2012/08/misurata-per-la-prima-volta-la-forma-del-fotone-asdesso-anche-la-luce-ha-unimmagine/146339/

http://www.cnrweb.tv/scoperta-la-forma-della-struttura-elettromagnetica-della-luce/