Onde solitarie in un fluido quantistico di luce e materia

I polaritoni sono delle particelle miste di luce e materia che vivono all''interno di microcavità a semi-conduttore. In opportune condizioni di densità e temperatura, un gas di polaritoni mostra una transizione ad uno stato quantico molto interessante, previsto per la prima volta da Einstein nel 1924, e chiamato generalmente condensato di Bose-Einstein. In questo stato le particelle perdono la loro individualità corpuscolare per essere descritte da una singola funzione d''onda coerente estesa per tutto lo spazio occupato dal condensato. Recentemente, una serie di studi condotti da ricercatori dell''Istituto Nano di Lecce e del Centro BEC di Trento dell''Istituto Nazionale di Ottica in collaborazione con colleghi dei laboratori LKB ed MPQ di Parigi hanno utilizzato gas di polaritoni per studiare le proprietà idrodinamiche dei condensati e, in particolare, far luce sulle loro caratteristiche di super-fluidità, quali una drammatica soppressione della viscosità. Per velocità di flusso sufficientemente basse, i fluidi di polaritoni sono infatti capaci di scorrere senza attrito attorno ad un ostacolo. Ad alte velocità, l''idrodinamica del condensato continua a mostrare una serie di interessanti effetti legati alla sua coerenza, dalla creazione deterministica di vortici quantistici, a comportamenti turbolenti in presenza di ostacoli e barriere. In questo articolo si riporta lo studio sperimentale di un fenomeno di idrodinamica superfluida mai osservato prima. Un condensato polaritonico viene fatto scorrere attorno ad un ostacolo costituito da un''imperfezione o un difetto naturalmente presente nel materiale semiconduttore. Nonostante la velocità del flusso sia scelta molto al di sopra della soglia di superfluidità, la natura quantistica del fluido resta chiaramente visibile nella figura come una coppia di onde solitarie che si originano sull''ostacolo e si estendono attraverso tutto il flusso polaritonico mantenendo la stessa struttura e forma per varie decine di micron a valle del difetto. Oltre all''interesse fondamentale di mettere in luce nuove ed inaspettate proprietà idrodinamiche dei condensati di polaritoni, questa scoperta potrà aprire le porte a future applicazioni in dispositivi optoelettronici, in cui il controllo della fase e del flusso ottico-polaritonico verranno sfruttati per la trasmissione e l''elaborazione dell''informazione in maniera puramente ottica.

Autori: A. Amo, S. Pigeon, D. Sanvitto, V. G. Sala, R. Hivet, I. Carusotto, F. Pisanello, G. Leménager, R. Houdré, E Giacobino, C. Ciuti, A. Bramati

Titolo: Polariton Superfluids Reveal Quantum Hydrodynamic Solitons

Rivista: Science

Anno: 2011

Riferimenti bibliografici: 332 (2011), pp. 1167-1170