Onde e fotoni, la prima istantanea della doppia natura della luce – Le Scienze

 

Piu’ veloce della luce?
Osservando con un microscopio elettronico l’interazione tra radiazione elettromagnetica in un nanocavo e un fascio di elettroni, un esperimento ha documentato per la prima volta contemporaneamente la doppia natura ondulatoria e corpuscolare della luce(red)

La luce è un’onda elettromagnetica secondo la teoria classica elaborata da James Clerck Maxwell alla fine dell’Ottocento. Ma si comporta anche come un flusso di corpuscoli, i quanti di luce o fotoni, come ipotizzato per la prima volta da Albert Einstein nel 1905, per spiegare l’effetto fotoelettrico.

Un nuovo studio condotto presso il Politecnico di Losanna da Fabrizio Carbone e colleghi e pubblicato sulla rivista “Nature Communications” dimostra per la prima volta che le due nature della luce, quella corpuscolare e quella ondulatoria, possono essere rilevate contemporaneamente nello stesso sistema fisico. Finora infatti si riteneva che la luce si comportasse come un’onda o come una particella a seconda del tipo di esperimento che si stesse conducendo.

Onde e fotoni, la prima istantanea della doppia natura della luceUna delle immagini al microscopio elettronico della luce confinata sul nanocavo mostra sia il fenomeno dell’interferenza, tipico delle onde, sia la quantizzazione dell’energia, che documenta la natura corpuscolare della luce stessa.

Una delle immagini al microscopio elettronico della luce confinata sul nanocavo mostra sia il fenomeno dell’interferenza, tipico delle onde, sia la quantizzazione dell’energia, che documenta la natura corpuscolare della luce stessa. (Credit: 2015 Fabrizio Carbone/EPFL)
Nel caso di Carbone e colleghi, il sistema fisico è costituito da un cavo metallico di dimensioni nanoscopiche, che viene colpito da un impulso laser. Per effetto dell’energia comunicata dal laser alle particelle cariche che lo compongono, il nanocavo si mette a vibrare. Inoltre, la luce si propaga lungo il cavo, ma solo in due possibili direzioni tra loro opposte.

Quando le onde che viaggiano in due direzioni opposte si sommano, si verifica una particolare interferenza che produce un’onda stazionaria. Questa onda non si propaga più nello spazio ma in ciascun punto oscilla solo rispetto al tempo (lo stesso fenomeno, per analogia, si può produrre con una corda fissata ai due estremi percorsa da due onde della stessa frequenza tra loro contrarie). Nel caso di Carbone e colleghi, in particolare, l’onda stazionaria così ottenuta era diventata una sorgente di luce per l’esperimento, irradiando attorno al nanocavo.

I ricercatori hanno poi indirizzato un fascio di elettroni in un punto in prossimità del nanocavo: in questo modo gli elettroni interagivano con la luce stazionaria in esso confinata, rallentando o accelerando. Osservato poi con un microscopio elettronico ultraveloce il punto in cui si producevano queste variazioni di velocità degli elettroni, Carbone e colleghi sono riusciti a visualizzare l’onda stazionaria come una sorta di impronta, documentando così la natura ondulatoria della luce.

I cambiamenti di velocità degli elettroni, d’altra parte, erano quantizzati: avvenivano cioè non in modo continuo, ma per salti discreti. Questo è chiaramente l’effetto dello scambio di “pacchetti” di energia tra i quanti di luce, i fotoni, e gli elettroni, e documenta che la luce stazionaria ha una natura corpuscolare.

“Questo esperimento dimostra per la prima volta che siamo in grado di filmare direttamente la meccanica quantistica e la sua natura paradossale”, ha spiegato Carbone. “Si tratta di un progresso nel controllo dei fenomeni quantistici alle scale nanoscopiche che potrebbe risultare molto utile, per esempio, nel calcolo quantistico”.

Source: www.lescienze.it

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di Ernesto G. Ammerata Inviato su Fisica

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