Non-monotonic dependence of OAM Schmidt spectrum on crystal thickness

Immaginate l'universo come una gigantesca e frenetica biblioteca dove la luce non viaggia solo in linea retta come noiosi matite; a volte, ruota come un piccolo tornado invisibile. Questa rotazione è chiamata "Momento Angolare Orbitale" (OAM). Pensate al fotone (una particella di luce) non solo come un messaggero, ma come un ballerino che ruota mentre si muove. La velocità di quel giro può essere lenta, veloce o ovunque nel mezzo, creando un enorme, quasi infinito parco giochi di possibilità per inviare informazioni. Gli scienziati amano questo perché, se si riesce a impacchettare i dati in queste rotazioni, si può inviare molta più informazione rispetto ai semplici segnali "on" o "off".

Per creare queste particelle di luce rotanti, gli scienziati usano un trucco speciale chiamato "Conversione Parametrica Spontanea verso il Basso" (SPDC). Immaginate un raggio laser ad alta energia che colpisce un cristallo speciale, come una palla da biliardo che colpisce una serie di palle. Il laser si divide in due nuovi fotoni a energia inferiore che sono "entangled", ovvero legati magicamente: se uno ruota a sinistra, l'altro ruota a destra, indipendentemente dalla distanza tra loro. La grande domanda per i ricercatori è: quanti diversi schemi di rotazione possiamo creare contemporaneamente? Questo numero è chiamato "numero di Schmidt". È come chiedere: "Quanti diversi canali televisivi possiamo trasmettere simultaneamente?". Per molto tempo, gli scienziati hanno pensato che rendere il cristallo più spesso avrebbe solo ridotto il numero di canali, come calpestare un palloncino. Ma un nuovo studio suggerisce che il palloncino potrebbe in realtà rigonfiarsi in modo sorprendente.

In questo articolo, un team di ricercatori dell'Indian Institute of Technology Kanpur ha deciso di testare cosa succede quando si cambia lo spessore del cristallo utilizzato per creare queste coppie di luce rotante. Per anni, la regola standard nella comunità della fisica è stata semplice: più spesso è il cristallo, minori sono i modelli di rotazione unici (più basso è il numero di Schmidt) che si ottengono. Era una discesa fluida e unidirezionale. I ricercatori sospettavano, tuttavia, che questa regola potesse omettere un dettaglio cruciale su come la luce si muove effettivamente all'interno del cristallo.

Per scoprirlo, hanno allestito un esperimento utilizzando un laser UV e un cristallo chiamato Borato di Bario Beta (BBO). Hanno fatto passare il loro laser attraverso cristalli di spessori variabili, da sottili fette fino a 20,0 mm di spessore. Mentre facevano questo, misuravano il "numero di Schmidt" per vedere quanti diversi stati di rotazione venivano creati. Hanno confrontato le loro misurazioni del mondo reale con due diversi modelli matematici. Il primo modello era il "vecchio modo", che ignorava un particolare vizio della luce chiamato "walk-off spaziale". Il secondo modello era il "nuovo modo", che manteneva tutti i dettagli complessi di come la luce si comporta all'interno del cristallo.

I risultati sono stati uno shock. Quando hanno usato la matematica del "vecchio modo", il numero di Schmidt faceva esattamente ciò che tutti si aspettavano: diminuiva man mano che il cristallo diventava più spesso. Ma quando hanno guardato l'esperimento reale e la matematica del "nuovo modo", la storia è cambiata completamente. Il numero di Schmidt non continuava semplicemente a scendere. Invece, scendeva inizialmente, raggiungeva un punto minimo e poi ricominciava a salire man mano che il cristallo diventava ancora più spesso. Era una curva non monotona, il che significa che scendeva e poi risaliva, sfidando la vecchia regola.

I ricercatori spiegano questo comportamento strano usando un concetto chiamato "walk-off spaziale". Immaginate di cercare di camminare attraverso un corridoio affollato tenendo in mano un palo lungo e rigido. Se il corridoio è stretto, potreste solo urtare le persone e rallentare. Ma se il corridoio è molto largo e state camminando con un'angolazione specifica, il vostro palo potrebbe effettivamente aiutarvi a navigare nella folla in un modo che vi permette di muovervi più velocemente o in una direzione diversa da quella prevista. Nel cristallo, man mano che la luce viaggia più in profondamente (cristallo più spesso), l'effetto "walk-off spaziale" inizia a dominare, aprendo di fatto nuovi canali per l'esistenza della luce rotante. Questo effetto era stato ignorato dai modelli più semplici usati per decenni.

Il team è molto sicuro di questo perché non ha solo tirato a indovinare; lo ha misurato. I loro punti sperimentali (i puntini sui loro grafici) si allineavano perfettamente con la complessa teoria del "nuovo modo", mostrando l'aumento del numero di Schmidt per i cristalli più spessi. Hanno esplicitamente escluso l'idea che il numero di Schmidt diminuisca sempre con lo spessore, dimostrando che la vecchia matematica più semplice mancava il bersaglio per i cristalli più spessi. Sebbene non abbiano sostenuto di aver risolto ogni problema della fisica quantistica, hanno dimostrato che, per l'informazione quantistica ad alta dimensionalità, lo spessore del cristallo conta in un modo molto più complesso e interessante di quanto precedentemente realizzato. Questa scoperta suggerisce che, se vogliamo costruire computer quantistici migliori o inviare messaggi più sicuri usando la luce, non possiamo semplicemente assumere che "più sottile è sempre meglio" o "più spesso è sempre peggio". Dobbiamo tenere conto della danza della luce all'interno del cristallo, perché a volte, più si va in profondità, più possibilità si trovano.