Principali risultati: Rallentare e fermare un fascio di luce

Lene Vestergaard Hau è una fisica danese che attualmente è Mallinckrodt Professore di Fisica e di Fisica Applicata all’Università di Harvard. Ha conseguito un dottorato di ricerca presso l’Università di Aarhus. Nel 1999, ha guidato un team dell’Università di Harvard che, utilizzando un condensato di Bose-Einstein, è riuscito a rallentare un fascio di luce a circa 17 metri al secondo e, nel 2001, è stato in grado di fermare completamente un raggio. Il lavoro successivo basato su questi esperimenti ha portato al trasferimento della luce alla materia, quindi dalla materia alla luce, un processo con importanti implicazioni per la crittografia quantistica e l’informatica quantistica. Un lavoro più recente ha coinvolto la ricerca in nuove interazioni tra atomi ultracold e sistemi su scala nanoscopica. Oltre a insegnare fisica e fisica applicata, ha insegnato Scienze energetiche ad Harvard, coinvolgendo celle fotovoltaiche, energia nucleare, batterie e fotosintesi. Oltre ai suoi esperimenti e alle sue ricerche, è spesso invitata a parlare a conferenze internazionali ed è coinvolta nella strutturazione delle politiche scientifiche di varie istituzioni. È stata keynote speaker a EliteForsk-konferencen 2013 (“Elite Research Conference”) a Copenhagen, a cui hanno partecipato ministri del governo, nonché senior science policy e research developers in Danimarca. In riconoscimento dei suoi numerosi successi, la rivista Discover l’ha riconosciuta nel 2002 come una delle 50 donne più importanti della scienza.
Dopo essere stato assegnato il suo bachelor in Matematica nel 1984, Hau ha continuato a studiare presso l’Università di Aarhus per il suo master in Fisica che è stato assegnato due anni più tardi. Per i suoi studi di dottorato in teoria quantistica Hau ha lavorato su idee simili a quelle coinvolte nei cavi in fibra ottica che trasportano la luce, ma il suo lavoro ha coinvolto stringhe di atomi in un cristallo di silicio che trasportano elettroni. Mentre lavorava per il suo dottorato, Hau ha trascorso sette mesi al CERN, il Laboratorio europeo di fisica delle particelle vicino a Ginevra. Ha conseguito il dottorato presso l’Università di Aarhus in Danimarca nel 1991, ma da questo momento i suoi interessi di ricerca avevano cambiato direzione. Nel 1991 si è unita al Rowland Institute for Science di Cambridge, Massachusetts come membro dello staff scientifico, iniziando a esplorare le possibilità della luce lenta e degli atomi freddi. Nel 1999, Hau ha accettato un appuntamento di due anni come post-dottorato presso l’Università di Harvard. La sua formazione formalizzata è in fisica teorica, ma il suo interesse si è trasferito alla ricerca sperimentale nel tentativo di creare una nuova forma di materia nota come condensato di Bose–Einstein. “Hau ha chiesto alla National Science Foundation fondi per fare un lotto di questo condensato, ma è stato respinto sulla base del fatto che lei era un teorico per il quale tali esperimenti sarebbe stato troppo difficile da fare.”Imperterrito, ha ottenuto finanziamenti alternativi, ed è diventato uno dei primi manciata di fisici per creare una tale condensa. Nel settembre 1999 è stata nominata Gordon Mckay Professor of Applied Physics e Professore di Fisica ad Harvard. Nel 1999 è stata insignita del titolo di professore di Fisica e Fisica applicata presso la Mallinckrodt di Harvard. Nel 2001 è diventata la prima persona a fermare completamente la luce, utilizzando un condensato di Bose–Einstein per raggiungere questo obiettivo. Da allora ha prodotto copiose ricerche, e nuovi lavori sperimentali, in trasparenza elettromagneticamente indotta, varie aree della fisica quantistica, fotonica e ha contribuito allo sviluppo di nuovi dispositivi quantistici e nuove applicazioni su scala nanometrica.
Hau e i suoi associati all’Università di Harvard “hanno dimostrato un controllo squisito sulla luce e sulla materia in diversi esperimenti, ma il suo esperimento con 2 condensati è uno dei più avvincenti”. Nel 2006 hanno trasferito con successo un qubit dalla luce a un’onda di materia e di nuovo alla luce, usando ancora condensati di Bose–Einstein. I dettagli dell’esperimento sono discussi nella pubblicazione dell ‘ 8 febbraio 2007 della rivista Nature. L’esperimento si basa sul modo in cui, secondo la meccanica quantistica, gli atomi possono comportarsi come onde e particelle. Ciò consente agli atomi di fare alcune cose controintuitive, come passare attraverso due aperture contemporaneamente. All’interno di un condensato di Bose-Einstein un impulso luminoso viene compresso di un fattore di 50 milioni, senza perdere nessuna delle informazioni memorizzate al suo interno. In questo condensato di Bose-Einstein, le informazioni codificate in un impulso luminoso possono essere trasferite alle onde atomiche. Poiché tutti gli atomi si muovono coerentemente, le informazioni non si dissolvono in rumore casuale. La luce spinge alcuni dei circa 1,8 milioni di atomi di sodio della nube a entrare in stati di” sovrapposizione quantistica”, con una componente a bassa energia che rimane ferma e una componente a più alta energia che viaggia tra le due nuvole. Un secondo laser “di controllo” scrive quindi la forma dell’impulso nelle onde atomiche. Quando questo fascio di controllo viene spento e l’impulso luminoso scompare, la “copia della materia” rimane. Prima di questo, i ricercatori non potevano facilmente controllare le informazioni ottiche durante il suo viaggio, se non per amplificare il segnale per evitare lo sbiadimento. Questo esperimento di Hau e dei suoi colleghi ha segnato la prima manipolazione riuscita di informazioni ottiche coerenti. Il nuovo studio è “una bella dimostrazione”, dice Irina Novikova, un fisico presso il College of William and Mary a Williamsburg, VA. Prima di questo risultato, dice, l’accumulo di luce è stato misurato in millisecondi. “Qui sono secondi frazionari. E ‘ un momento davvero drammatico.”
Del suo potenziale, Hau ha detto “Mentre la materia viaggia tra i due condensati di Bose–Einstein, possiamo intrappolarlo, potenzialmente per minuti, e rimodellarlo – cambiarlo – in qualsiasi modo vogliamo. Questa nuova forma di controllo quantistico potrebbe anche avere applicazioni nei campi di sviluppo dell’elaborazione delle informazioni quantistiche e della crittografia quantistica.”Tra le implicazioni sullo sviluppo,” Questa impresa, la condivisione di informazioni quantistiche in forma di luce e in non solo una ma due forme atomiche, offre un grande incoraggiamento a coloro che sperano di sviluppare computer quantistici”, ha affermato Jeremy Bloxham, decano della scienza nella Facoltà di Arti e Scienze. Hau è stato assegnato il premio George Ledlie per questo lavoro, Prevosto di Harvard Steven Hyman notando “il suo lavoro è percorso di rottura. La sua ricerca sfuma i confini tra scienza di base e applicata, attinge il talento e le persone di due scuole e diversi dipartimenti, e fornisce un esempio letteralmente incandescente di come prendere rischi intellettuali audaci porta a ricompense profonde.”
Nel 2009 Hau e team raffreddati al laser nuvole di un milione di atomi di rubidio a solo una frazione di grado sopra lo zero assoluto. Hanno quindi lanciato questa nuvola atomica millimetrica verso un nanotubo di carbonio sospeso, situato a circa due centimetri di distanza e caricato a centinaia di volt. I risultati sono stati pubblicati nel 2010, annunciando nuove interazioni tra atomi freddi e sistemi su scala nanometrica. Hanno osservato che la maggior parte degli atomi passava, ma circa 10 per milione erano inevitabilmente attratti, facendoli accelerare drammaticamente sia nel movimento che nella temperatura. “A questo punto, gli atomi di accelerazione si separano in un elettrone e uno ion che ruotano in parallelo attorno al nanofilo, completando ogni orbita in pochi trilionesimi di secondo. L’elettrone alla fine viene risucchiato nel nanotubo tramite tunneling quantistico, causando il suo ion compagno a sparare via – respinto dalla forte carica del nanotubo da 300 volt-ad una velocità di circa 26 chilometri al secondo, o 59.000 miglia all’ora.”Gli atomi possono disintegrarsi rapidamente, senza dover scontrarsi tra loro in questo esperimento. Il team si affretta a notare che questo effetto non è prodotto dalla gravità, come calcolato nei buchi neri che esistono nello spazio, ma dall’elevata carica elettrica nel nanotubo. L’esperimento combina la nanotecnologia con gli atomi freddi per dimostrare un nuovo tipo di rivelatore ad alta risoluzione, a singolo atomo, integrato con chip che potrebbe in ultima analisi essere in grado di risolvere le frange dall’interferenza delle onde della materia. Gli scienziati prevedono anche una serie di studi fondamentali a singolo atomo resi possibili dalla loro configurazione.
Fonte: Wikipedia