Effetto Casimir Dinamico Non Perturbativo in Sistemi Optomeccanici

I fotoni virtuali possono essere convertiti in luce reale tramite l’uso di specchi che oscillano rapidamente, come mostrato da uno studio teorico di scienziati del  Dipartimento MIFT dell’Università degli Studi di Messina e del RIKEN. I risultati sono stati pubblicati su Phys. Rev. X:
 https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.011031
 
Secondo la teoria quantistica dei campi, Lo spazio vuoto è tutt’altro che vuoto; esso è invece riempito da particelle virtuali che appaiono e scompaiono continuamente dall’esistenza. Tali particelle virtuali possono avere effetti reali, come nel caso dell’effetto Casimir secondo cui due piatti posti ad una distanza di pochi nanometri si attraggono. Nel caso dell’effetto Casimir dinamico, uno specchio che si muove rapidamente può trasformare fotoni virtuali (fluttuazioni quantistiche del campo elettromagnetico) in fotoni reali. Esperimenti recenti sono in favore dell’esistenza di questo effetto, ma non impiegano specchi che si muovono meccanicamente (si tatta di sistemi totalmente ottici con una dinamica equivalente). Non ci sono ancora osservazioni dirette della conversione di energia meccanica in coppie di fotoni. Descrizioni teoriche precedenti indicavano che tale osservazione avrebbe richiesto oscillatori meccanici con frequenze di risonanza superiori a quelle raggiungibili con la tecnologia corrente. Il nuovo risultato teorico, pubblicato recentemente, prevede che ciò non sia necessario. Il Prof. Savasta e i suoi collaboratori hanno mostrato che sistemi optomeccanici compatibili con l’attuale tecnologia possono essere utilizzati per una dimostrazione diretta dell’ effetto Casimir dinamico. I sistemi optomeccanici sono costituiti da una cavità ottica formata da due specchi, uno dei quali è libero di vibrare. In pratica, sono state create stutture optomeccaniche nelle quali lo specchio può oscillare sino a sei miliardi di volte al secondo. Tuttavia questa frequenza di oscillazione, secondo le precedenti analisi teoriche, non è sufficiente. Precedenti studi teorici avevano indicato infatti che, per ottenere questa conversione da energia meccanica a coppie di fotoni, la frequenza di oscillazione meccanica deve essere almeno il doppio della frequenza più bassa dei modi della cavità.
 
Casimir.jpg
Il team internazionale di fisici teorici ha trattato sia il campo elettromagnetico della cavità che lo specchio mobile come sistemi quanto-mecccanici, considerando anche l’intrinseca non linearità di tale sistema quantistico ibrido. Questo approccio più accurato ha mostrato che la produzione risonante di fotoni dal vuoto può essere osservata a frequenze meccaniche uguali o addirittura più basse di quelle della cavità. Questo significa che l’emissione di luce tramite il moto meccanico potrà essere dimostrata usando sistemi optomeccanici con specchi che vibrano nel range dei gigahertz; Tale range è alla portata degli esperimenti correnti.
Questi risultati sono aprono la porta ad una serie di interessanti applicazioni, come ad esempio la possibilità di trasmettere il suono attraverso il vuoto, o comunque senza la necessità di eccitare il mezzo tra emettitore e ricevitore.
 

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