Le proprietà di un flusso di luce

Le proprietà di un flusso di luce

22 luglio 2011

Foto: interferenza del fluido di luceUno studio italo-francese ha evidenziato le straordinarie
proprietà di un fluido di luce e rilevato per la prima volta fenomeni idrodinamici come i
‘solitoni’, onde solitarie e ‘infinite’. Frutto della collaborazione tra ricercatori dell’Istituto
nanoscienze e dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr, è pubblicato su Science

Un team italo-francese ha osservato le straordinarie proprietà di un fluido di luce. I ricercatori –
Iacopo Carusotto dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr),
Daniele Sanvitto dell’Istituto nanoscienze (Nano) del Cnr di Lecce, con i colleghi Alberto Bramati e
Alberto Amo dell’Università Paris6 e Cristiano Ciuti dell’Università Paris7 e Cnrs – hanno scoperto
in un fluido di fotoni confinato in una nanostruttura fenomeni quantistici idrodinamici finora
predetti soltanto dalla teoria, come i ‘solitoni’, una sorta di onde solitarie e permanenti. Lo
studio, pubblicato sulla rivista Science, aggiunge un nuovo tassello alla conoscenza delle proprietà
di un fluido luminoso e più in generale dei condensati coerenti di materia.

I fluidi di luce sono tra i fenomeni più esotici studiati dai fisici in anni recenti. “È un fenomeno
che si verifica quando i fotoni, le particelle elementari che compongono la luce, sono costretti a
propagarsi non più nel vuoto o in mezzi trasparenti ordinari come il vetro, ma in materiali
appositamente usati per indurre forti interazioni fra loro”, spiega Carusotto, fisico teorico del
Centro Bec di Trento dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr. “Succede allora che i fotoni si
comportano in maniera simile alle molecole di un liquido e collettivamente danno luogo a un vero e
proprio fluido luminoso, che ha la fondamentale caratteristica di conservare precisa memoria della
natura quantistica dei fotoni che lo costituiscono”.

I ricercatori sono stati in grado di creare un fluido di luce, confinando i fotoni in una
nanostruttura a semiconduttore, e di studiare in dettaglio i processi microscopici che si generano
quando il fluido incontra un ostacolo.

“A basse velocità il fluido di fotoni ha le caratteristiche tipiche di un superfluido, ovvero è
capace di aggirare l’ostacolo per poi riprendere a scorrere come se nulla fosse accaduto”, spiega
Daniele Sanvitto. “A velocità più alte si generano vortici e moti turbolenti dovuti a fenomeni di
attrito, ma mentre in un fluido tradizionale i mulinelli ruotano a velocità piccole e a piacere, nel
fluido quantistico la velocità di rotazione può solo essere un multiplo intero della costante di
Planck”. In particolare, prosegue il ricercatore di Nano-Cnr, che ha seguito la parte sperimentale
dello studio, “per la prima volta si è vista la formazione di lunghi canali persistenti a valle
dell’ostacolo, i cosiddetti ‘solitoni idrodinamici’: questi oggetti sono l’analogo quantistico delle
onde solitarie che si propagano sulla superficie dell’acqua, ma qui la loro robustezza discende
direttamente dalla natura quantistica del fluido”.

Lo studio ha mostrato che con i fluidi di luce si può generare e studiare, fino quasi a temperatura
ambiente, una classe di fenomeni che finora era possibile osservare solo nell’elio superfluido o in
condensati di Bose-Einstein di atomi ultrafreddi, sistemi che richiedono temperature prossime allo
zero assoluto.

Per i ricercatori lo studio avrà successivi sviluppi: “Le tecniche spettroscopiche avanzate messe a
punto all’Istituto nanoscienze Cnr di Lecce”, conclude Daniele Sanvitto, “ci permettono di
ricostruire la dinamica completa del fluido, con una risoluzione spaziale dei milionesimi di metro e
temporale del picosecondo (milionesimo di milionesimo di secondo)”.

Scheda

Che cosa: osservati fenomeni quantistici idrodinamici in un fluido di luce (Polariton superfluids
reveal quantum hydrodynamic solitons – A. Amo, S. Pigeon, D. Sanvitto, V. G. Sala, R. Hivet, I.
Carusotto, F. Pisanello, G. Lemenager, R. Houdré, E Giacobino, C. Ciuti, A. Bramati, Science 3 June
2011: Vol. 332 no. 6034 pp. 1167-1170. DOI:10.1126/science.1202307)
Chi: Laboratorio Nnl Istituto nanoscienze Cnr, Lecce, www.nano.cnr.it

Per informazioni:

Capo Ufficio Stampa Cnr: Marco Ferrazzoli
Phone: +39 06/49933383
e-mail: marco.ferrazzoli@cnr.it