Una teoria della fisica non perturbativa a campo forte guidata dalla luce quantistica

5 settembre 2023 funzionalità

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Le interazioni non perturbative (cioè le interazioni troppo forti per essere descritte dalla cosiddetta teoria di perturbazione) tra luce e materia sono state oggetto di numerosi studi di ricerca. Tuttavia, il ruolo che le proprietà quantistiche della luce svolgono in queste interazioni e i fenomeni che ne derivano sono finora rimasti ampiamente inesplorati.

Ricercatori presso il Technion-Israel Institute of Technology hanno recentemente introdotto una nuova teoria che descrive la fisica alla base delle interazioni non perturbative guidate dalla luce quantistica. La loro teoria, presentata in Nature Physics, potrebbe guidare futuri esperimenti che esplorano fenomeni di fisica dei campi forti, così come lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche.

Questo recente articolo è il risultato di una stretta collaborazione tra tre diversi gruppi di ricerca presso il Technion, guidati dai ricercatori principali Prof. Ido Kaminer, Prof. Oren Cohen e Prof. Michael Krueger. Gli studenti Alexey Gorlach e Matan Even Tsur, co-autori principali dell'articolo, hanno guidato lo studio con il supporto e le idee di Michael Birk e Nick Rivera.

"Questo è stato un importante percorso scientifico per noi", hanno detto il Prof. Kaminer e Gorlach a Phys.org. "Nel 2019 abbiamo iniziato a pensare alla generazione di armoniche superiori (HHG) e alle sue caratteristiche quantistiche. All'epoca, la luce in tutti gli esperimenti di HHG era spiegata in modo classico e volevamo scoprire quando la fisica quantistica comincia a giocare un ruolo lì.

"Onestamente, ci ha dato fastidio che diversi fenomeni di base in fisica fossero spiegati ognuno da una teoria completamente diversa, quindi non era possibile metterli in relazione. Ad esempio, HHG si basava su una teoria che contraddiceva la teoria di solito applicata per calcolare l'emissione spontanea, ognuna spiegata su basi diverse."

HHG è un processo fisico altamente non lineare che comporta una forte interazione tra luce e materia. In particolare, si verifica quando impulsi intensi di luce applicati alla materia la inducono a emettere le cosiddette armoniche superiori dell'impulso luminoso intenso di guida.

Da alcuni anni, il Prof. Kaminer e il suo gruppo di ricerca hanno cercato di ideare un unico quadro teorico basato sulla teoria quantistica che tenga conto congiuntamente di tutti i fenomeni della fotonica, compresa HHG. Il loro primo articolo su questo argomento, pubblicato su Nature Communications nel 2020, ha presentato una versione proposta di questo quadro unificante, analizzando HHG nel linguaggio dell'ottica quantistica.

"Questo studio ha contribuito ad aprire il campo in crescita della HHG quantistica", hanno spiegato il Prof. Kaminer e Gorlach. "Tuttavia, tutti gli esperimenti HHG erano guidati da campi laser classici. Sembra addirittura che non possa esserci una luce quantistica abbastanza intensa da creare HHG. Tuttavia, i lavori del Prof. Maria Chekhova hanno dimostrato che è possibile creare una luce quantistica abbastanza intensa in una forma nota come "squeezed vacuum". Ciò ha motivato la nostra nuova ricerca."

Nell'ambito del loro nuovo studio, il Prof. Kaminer, Gorlach e i loro colleghi hanno ideato un quadro completo che descrive i processi della fisica dei campi forti guidati dalla luce quantistica. Per convalidare teoricamente il loro quadro, l'hanno applicato a HHG, prevedendo come questo processo cambierebbe se guidato dalla luce quantistica.

"Abbiamo dimostrato che, contrariamente alle aspettative, molte caratteristiche importanti come l'intensità e lo spettro, cambiano tutte a seguito dell'uso di una sorgente luminosa di guida con diverse statistiche quantistiche dei fotoni", hanno detto il Prof. Kaminer e Gorlach. "L'articolo che abbiamo scritto predice anche scenari sperimentali fattibili che non possono essere spiegati in alcun altro modo se non considerando le statistiche dei fotoni. Questi prossimi esperimenti avranno un impatto e un'importanza ancora maggiori in questo campo emergente dell'ottica quantistica dei campi forti."

Fino ad ora, il lavoro svolto da questo team di ricercatori è puramente teorico. Il loro articolo introduce la prima teoria dei processi non perturbativi guidati dalla luce quantistica, dimostrando anche teoricamente che lo stato quantistico della luce influisce sulle grandezze misurabili, come lo spettro emesso.

"Il modo in cui funziona la nostra teoria è suddividendo la luce di guida in una delle due rappresentazioni chiamate distribuzione generalizzata di Glauber o distribuzione di Husimi, e quindi utilizzando le simulazioni convenzionali del campo HHG, l'equazione di Schrödinger dipendente dal tempo (TDSE), per simulare separatamente le parti della distribuzione, prima di combinare insieme le simulazioni per ottenere il risultato complessivo", hanno detto il Prof. Kaminer e Gorlach.

'This connection of the standard tools of the community into such a quantum-optical calculation scheme is what made our work powerful and useful—applicable to an arbitrary quantum state of light and an arbitrary system of emitters.'

The new theory derived by Prof. Kaminer, Gorlach and their colleagues could soon inform studies in different areas of physics. In fact, their paper envisions taking the idea beyond HHG, to a wide range of non-perturbative processes, which can all be driven by non-classical light sources.

This theoretical prediction could soon be tested and validated in experimental settings. For instance, the team's theory can be directly applied to the generation of attosecond pulses via HHG, a process that can underpin the functioning of quantum sensing and quantum imaging technologies.

In that regard, the team published a recent theory paper in Nature Photonics that proposed controlling the attosecond pulse profiles using the quantum nature of light, for example showing promising conditions using a mixture of classical light and quantum squeezed light.

In addition, their theory could be applied to other phenomena based on strong-field physics, such as the Compton effect, a process used to generate X-ray pulses.

'We recently published a follow-up paper on this application in Science Advances, which ended up appearing earlier due to delays in the peer-review process,' Kaminer and Gorlach added about the Compton effect. 'We are now working toward performing the experiment theoretically discussed in our paper.

'Another ambitious goal will be to generalize the developed theory beyond HHG, and to investigate quantum effects in various materials driven by intense light, which connects our new developments in quantum optics to the frontiers of condensed matter physics.'

Journal information: Science Advances , Nature Communications , Nature Photonics , Nature Physics

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