Ottica quantistica
L’ottica quantistica è una branca della fisica che studia le proprietà della luce, e l'interazione della luce con la materia, dal punto di vista della meccanica quantistica.
Storia
Fin dall’antichità i filosofi si sono interrogati sulla natura della luce e già nel corso del medioevo l’umanità aveva posto le basi per la comprensione della propagazione dei raggi di luce andando a definire i fondamenti dell'ottica geometrica.
A partire dal XVII secolo si andò ad affermare un importante dibattito sulla natura della luce che vedeva contrapposti da una parte i sostenitori della natura corpuscolare della luce e dall’altra i sostenitori della natura ondulatoria della luce.
Nel corso del diciannovesimo secolo, i progressi tecnologici permisero di realizzare una serie di esperimenti che portarono abbondanti prove sulla validità della teoria ondulatoria. Inoltre, soprattutto grazie al lavoro teorico di Maxwell, si arrivò alla formulazione di una teoria unificata dell’elettromagnetismo in gradi di fornire un quadro teorico complessivo dei fenomeni ottici, dimostrando come la luce fosse essenzialmente un'onda del campo elettromagnetico.
Tuttavia, nei primissimi anni del novecento, le osservazioni sperimentali sulla radiazione di corpo nero e sull’effetto fotoelettrico misero in discussione la teoria ottocentesca dell’elettromagnetismo.
Già nel 1900 Planck sostenne che gli scambi di energia nei fenomeni di emissione delle radiazioni elettromagnetiche non avvengono in forma continua ma in forma discreta attraverso lo scambio di quanti di energia. Questa intuizione, insieme all'introduzione del concetto di fotone da parte di Einstein furono la svolta fondamentale che segnò il superamento della teoria classica dell’elettromagnetismo e la nascita di un percorso scientifico che portò, nei decenni successivi, alla formulazione della teoria della meccanica quantistica.
Si può pertanto affermare che la nascita dell’ottica quantistica avvenne in contemporanea con la nascita della meccanica quantistica e in particolare che siano state proprio ricerche scientifiche strettamente connesse all’ottica a indurre la necessità di superare le teorie fisiche classiche. Tuttavia, fino agli anni 60 del novecento le ricerche che vedevano coinvolta la natura quantistica della luce ed in particolare l’interazione tra la radiazione e la materia tendevano ad essere classificate nell’ambito della fisica atomica o dell’elettronica quantistica. Fu solo con l’introduzione dei primi laser e l’avvento di nuove possibilità sperimentali che si diffuse l’uso del termine ottica quantistica per indicare una particolare sottodisciplina della meccanica quantistica.
Nella seconda metà del novecento, lo sviluppo congiunto di nuove sorgenti di luce e di nuovi rivelatori di fotoni darà un notevole impulso alle ricerche sperimentali in questo campo.
Una svolta significativa si ebbe con la scoperta del fenomeno della conversione parametrica che permise la realizzazione di sorgenti di singoli fotoni e di sorgenti di coppie di fotoni entangled in modo estremamente più efficiente che in passato.
Nel ventunesimo secolo l’ottica quantistica è una disciplina che da un lato risulta essere strettamente legata alle ricerche sui fondamenti della meccanica quantistica, dall’altro lato risulta essere una delle basi dello sviluppo delle emergenti tecnologie quantistiche quali la computazione quantistica, la crittografia quantistica ed il quantum sensing.
Descrizione
Concetti chiave
Lo studio dell'ottica quantistica, volendo seguire un percorso concettuale che renda conto sia di una mappa concettuale che di un percorso di sviluppo storico, si può riassumere dicendo che esso parte dallo studio della interazione radiazione-materia, applicando il formalismo quanto meccanico, trattando della quantizzazione di oscillatore armonico e di atomo a due livelli per trattare poi il concetto di coerenza spaziale e temporale, emissioni spontanee e assorbimenti ed emissioni stimolate e degli stati coerenti e complessi chiamati squeezed.
Nello studio dell'ottica quantistica entrano però anche le cosiddette equazioni di Maxwell-Bloch, la spettroscopia coerente, lo studio delle cavità laser e la dinamica dei laser, la stessa statistica quantistica (operatore densità, condensazione di Bose-Einstein in gas atomico, sistemi di spin 1/2) ed infine i processi di fotorivelazione di statistica fotonica di interferenza quantica e stati mesoscopici (Entanglement, teletrasporto e informazione quantica). Dallo studio dell'ottica quantistica è nata una area di studio ampia che riguarda l'ottica non lineare.
Altri concetti
Secondo la meccanica quantistica, la luce può essere considerata non solo come un'onda elettromagnetica, ma anche come un flusso di particelle, dette fotoni, che viaggiano alla velocità della luce nel vuoto (solitamente indicata con c).
Queste particelle non possono essere considerate come oggetti classici (l'immagine usuale è quella delle palle da biliardo), ma come oggetti quantistici descritti da una funzione d'onda estesa su una regione finita di spazio. Ogni particella ha un'energia pari a , dove è la lunghezza d'onda della luce ed h è la costante di Planck. L'ipotesi della quantizzazione dell'energia della luce (in realtà di tutta la radiazione elettromagnetica), avanzata da Planck nel 1899 e la scoperta della validità di tale assunto, attraverso la spiegazione dell'effetto fotoelettrico da parte di Einstein nel 1905 sono le basi dell'ottica quantistica ed hanno portato rapidamente a speculare sulla possibilità di realizzare una inversione di popolazione, e della conseguente realizzazione di laser e maser.
Questo uso della meccanica statistica è la base della maggior parte dei concetti dell'ottica quantistica: la luce (radiazione elettromagnetica) è descritta in termini di operatori di campo quantistici per la creazione e distruzione di fotoni, utilizzando quindi gli strumenti della elettrodinamica quantistica.
Voci correlate
Bibliografia
- Marlan Scully e Muhammad Suhail Zubairy, Quantum Optics, Cambridge University Press, 1997.
- Gilbert Grynberg, Alain Aspect e Claude Fabre, Introduction to Quantum Optics, Cambridge University Press, 2010.
- Mark Fox, Quantum Optics: An Introduction, Oxford University Press, 2006.
- Ray Lapierre, Getting Started in Quantum Optics, Springer, 2022.
- F. J. Duarte, Quantum Optics for Engineers, CRC Press, 2013.
Altri progetti
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Collegamenti esterni
- Hermann Haken, Ottica quantistica, in Enciclopedia del Novecento, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 1975-2004.
- (EN) quantum optics, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
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