Che cos'è l'ottica quantistica?

L'ottica quantistica è un campo della fisica quantistica che si occupa specificamente dell'interazione dei fotoni con la materia. Lo studio dei singoli fotoni è cruciale per comprendere il comportamento delle onde elettromagnetiche nel loro insieme.

Per chiarire esattamente cosa significhi, la parola "quantistica" si riferisce alla quantità più piccola di qualsiasi entità fisica che può interagire con un'altra entità. La fisica quantistica, quindi, si occupa delle particelle più piccole; queste sono particelle subatomiche incredibilmente piccole che si comportano in modi unici.

La parola "ottica", in fisica, si riferisce allo studio della luce. I fotoni sono le particelle di luce più piccole (anche se è importante sapere che i fotoni possono comportarsi sia come particelle che come onde).

Sviluppo dell'ottica quantistica e teoria dei fotoni della luce

La teoria secondo cui la luce si muoveva in fasci discreti (cioè fotoni) fu presentata nel documento di Max Planck del 1900 sulla catastrofe ultravioletta nelle radiazioni del corpo nero. Nel 1905, Einstein estese questi principi nella sua spiegazione dell'effetto fotoelettrico per definire la teoria dei fotoni della luce.

La fisica quantistica si è sviluppata durante la prima metà del ventesimo secolo in gran parte attraverso il lavoro sulla nostra comprensione di come fotoni e materia interagiscono e si relazionano. Questo è stato visto, tuttavia, come uno studio della questione coinvolto più della luce in questione.

Nel 1953 fu sviluppato il maser (che emetteva microonde coerenti) e nel 1960 il laser (che emetteva luce coerente). Poiché la proprietà della luce coinvolta in questi dispositivi è diventata più importante, l'ottica quantistica ha iniziato a essere utilizzata come termine per questo campo di studio specializzato.

I risultati

L'ottica quantistica (e la fisica quantistica nel suo insieme) vedono le radiazioni elettromagnetiche che viaggiano allo stesso tempo sia sotto forma di onda che di particella. Questo fenomeno si chiama dualità onda-particella.

La spiegazione più comune di come funziona è che i fotoni si muovono in un flusso di particelle, ma il comportamento generale di quelle particelle è determinato da un funzione d'onda quantistica ciò determina la probabilità che le particelle si trovino in una determinata posizione in un determinato momento.

Prendendo i risultati dall'elettrodinamica quantistica (QED), è anche possibile interpretare l'ottica quantistica nella forma della creazione e della distruzione dei fotoni, descritta dagli operatori sul campo. Questo approccio consente l'uso di alcuni approcci statistici utili per analizzare il comportamento della luce, sebbene il fatto che rappresenti ciò che sta avvenendo fisicamente è una questione di dibattito (sebbene la maggior parte delle persone lo consideri solo un utile modello matematico).

applicazioni

I laser (e i maser) sono l'applicazione più ovvia dell'ottica quantistica. La luce emessa da questi dispositivi è in uno stato coerente, il che significa che la luce ricorda da vicino un'onda sinusoidale classica. In questo stato coerente, la funzione d'onda meccanica quantistica (e quindi l'incertezza meccanica quantistica) è distribuita equamente. La luce emessa da un laser è quindi altamente ordinata e generalmente limitata allo stesso stato di energia (e quindi alla stessa frequenza e lunghezza d'onda).