Fluidi quantistici di luce
In questa linea di ricerca, ci interessiamo allo studio delle proprieta’ fondamentali dei fluidi quantistici di luce in dispositivi ottici nonlineari. In presenza di efficienti interazioni fra fotoni mediate dalla nonlinearita’ ottica del mezzo, un fascio luminoso contenente molti fotoni puo’ comportarsi in maniera collettiva come un fluido quantistico, e allo stesso tempo mostrare vari nuovi comportamenti dovuti alla sua natura intrinsecamente di non-equilibrio. Nell’ultimo decennio, a grande varieta’ di effetti idrodinamici sono stati predetti teoricamente e rapidamente osservati in laboratorio, dal flusso superfluido a basse velocita’ all’apparizione di coni di Mach-Cherenkov in un flusso supersonico (fig.1), alla formazione idrodinamica di eccitazioni topologiche quali vortici quantizzati e solitoni neri alla superficie di grandi difetti impenetrabili. Una fisica particolarmente interessante appare in presenza di potenziali esterni, p.es. periodici (fig.2).
Fino ad ora, la nostra attivita’ si e’ concentrata su una classe specifica di dispositivi a semiconduttore (cavita’ planari nel regime di interazione luce-materia forte, in cui le eccitazioni elementari hanno natura polaritonica), ma il concetto di fluido quantistico di luce si applica ad un ampio spettro di sistemi, da cristalli nonlineari macroscopici, a nuvole atomiche intrappolate in fibre ottiche o in cavita’, a cavita’ a cristallo fotonico, a circuiti quantistici a semiconduttore basati su giunzioni Josephson. Negli ultimi anni, abbiamo iniziato ad estendere attivamente il nostro interesse a questi vari sistemi, con interessanti prospettive sperimentali.
Un’altra direzione di sviluppo sperimentale riguarda gas di fotoni fortemente correlati e i nuovi effetti che risultano da un campo di gauge artificiale per fotoni. Per nonlinearita’ sufficientemente forti, il meccanismo di “photon blockade”e’ efficace nel rendere i fotoni particelle effettivamente impenetrabili. In geometrie spazialmente estese, ci aspettiamo che questo effetto possa dar luogo a nuove fasi quantistiche del fluido di luce, con interessanti applicazioni alle tecnologie quantistiche.
Tutti i dettagli su questa linea di ricerca sono reperibili nel recente articolo di rivista scritto dal PI (Carusotto and Ciuti, RMP2013)e nei vari articoli di divulgazione scritti, p.es., per EPNe per Il Nuovo Saggiatore.
Questa linea di ricerca si sviluppa in stretta collaborazione con vari gruppi teorici presso varie istituzioni internazionali, fra cui le universita’ di Paris 7 e di Anversa, la SNS di Pisa, il Politecnico di Zurigo. Il gruppo di Trento e’ pure coinvolto in collaborazioni con vari gruppi sperimentali, sia locali presso l’universita’ di Trento che internazionali, fra cui il LKBdell’Universita’ Paris 6 e il LPNdi Marcoussis (presso Parigi). Queste collaborazioni sono supportate dalla Provincia di Trento (Grande Progetto “SiQuro”)e dalla EU (progetto FET-Proactive “AQuS”).
Immagini teoriche e sperimentali che dimostrano il passaggio verso uno stato superfluido in un fluido di luce (da Amo et al., Nature Physics 2009)
Immagine sperimentale delle bande polaritoniche in un reticolo a nido d'ape. In evidenza la dispersione lineare attorno ai punti di Dirac (da Jacqmin et al., PRL 2014)