Category: PRIN 2017 PELM

QFT in curved spacetime permits quantitative predictions for the Unruh effect with hydrogenlike atoms

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.108.022807

We consider ionized hydrogenlike atoms accelerated by an external electric field to detect Unruh radiation. By applying quantum field theory in the Rindler space-time, we show that the first-quantized description for hydrogenlike atoms cannot always be adopted. This is due to the frame-dependent definition of particles as positive and negative frequency field modes. We show how to suppress such a frame-dependent effect by constraining the atomic ionization and the electric field. We identify the physical regimes with nonvanishing atomic excitation probability due to the Unruh electromagnetic background. We recognize the observational limits for the Unruh effect via first-quantized atomic detectors, which appear to be compatible with current technology. Notably, the nonrelativistic energy spectrum of the atom cannot induce coupling with the thermal radiation, even when special relativistic and general relativistic corrections are considered. On the contrary, the coupling with the Unruh radiation arises because of relativistic hyperfine splitting and the Zeeman effect.

Tsunami of light launched against 3D-printed tumor cells

Nature Communications 14, 4662 (2023)

Extreme waves are intense and unexpected wavepackets ubiquitous in complex systems. In optics, these rogue waves are promising as robust and noise-resistant beams for probing and manipulating the underlying material. Localizing large optical power is crucial especially in biomedical systems, where, however, extremely intense beams have not yet been observed. We here discover that tumor-cell spheroids manifest optical rogue waves when illuminated by randomly modulated laser beams. The intensity of light transmitted through bio-printed three-dimensional tumor models follows a signature Weibull statistical distribution, where extreme events correspond to spatially-localized optical modes propagating within the cell network. Experiments varying the input beam power and size indicate that the rogue waves have a nonlinear origin. We show that these nonlinear optical filaments form high-transmission channels with enhanced transmission. They deliver large optical power through the tumor spheroid, and can be exploited to achieve a local temperature increase controlled by the input wave shape. Our findings shed light on optical propagation in biological aggregates and demonstrate how nonlinear extreme event formation allows light concentration in deep tissues, paving the way to using rogue waves in biomedical applications, such as light-activated therapies.

Press release Supervised Single-shot Polarimetry (ITA)

https://www.uniroma1.it/it/notizia/rivelare-la-terza-dimensione-della-luce-con-lintelligenza-artificiale

https://www.cnr.it/it/comunicato-stampa/11856/rivelare-la-terza-dimensione-della-luce-con-l-intelligenza-artificiale

Ricercatori dell’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche e della Sapienza Università di Roma hanno sviluppato un polarimetro “intelligente” ultra-veloce e super-compatto che permette di utilizzare la polarizzazione della luce per applicazioni nei campi della comunicazione ottica sicura, dei sensori fotonici e della medicina. Lo strumento è descritto in un articolo su Nature Communications

Ricercatori dell’Istituto dei Sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma (Cnr-Isc) e del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma hanno sviluppato un innovativo strumento che permette di “vedere” tramite la polarizzazione, e utilizzare tale proprietà per applicazioni nei campi della comunicazione ottica sicura su grande distanza, dei sensori fotonici con funzionalità aumentate, e nuovi strumenti per la medicina. 

La polarizzazione, assieme alla frequenza e all’intensità, è una delle tre proprietà fondamentali delle onde elettromagnetiche. Mentre le ultime due si manifestano ogni giorno tramite i colori e la brillantezza di una moltitudine di sorgenti di luce diverse quali led, microonde e laser, la polarizzazione della luce è meno conosciuta. I nostri occhi non sono sensibili a questa proprietà – che indica la direzione di oscillazione del campo ottico – e non ci accorgiamo, pertanto, di come essa sia alla base del funzionamento di oggetti di uso comune, come i display. Vedere tramite la polarizzazione permette di rilevare oggetti apparentemente invisibili in condizioni di scarsissima visibilità, e di scoprire dettagli che sono nascosti nelle normali fotografie. Inoltre, in applicazioni quali la visione digitale permette di osservare caratteristiche fisiche dei materiali nascoste – come tensioni, torsioni ed imperfezioni superficiali – e svolge un ruolo chiave nel settore dell’informazione quantistica.

Lo strumento sviluppato da Davide Pierangeli e Claudio Conti, rispettivamente dell’Istituto dei sistemi complessi del Cnr e del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma supera il limite dell’assenza, fino ad oggi, di metodi e strumenti compatti per ottenere immagini in polarizzazione in modo ultraveloce: gli attuali rivelatori, infatti – i cosiddetti polarimetri – utilizzano molte misurazioni tramite apparati ottici costosi e voluminosi.

In particolare, il dispositivo realizzato è innovativo in quanto permette di misurare molte polarizzazioni in un singolo “shot”, basandosi sull’intelligenza artificiale. Inoltre, non necessita dei componenti ottici convenzionali di polarizzazione.

“Rivelare la così detta «terza dimensione della luce» in modo efficiente è una sfida centrale per la fotonica”, spiega Davide Pierangeli (Cnr-Isc). “La nostra idea è stata quella di rivelare la polarizzazione misurando un’altra proprietà fisica apparentemente non collegata ad essa, cioè la distribuzione d’intensità ottica che viene prodotta da un chip disordinato, e da questa tramite tecniche di apprendimento automatico estrarre l’informazione sulle molte polarizzazioni codificate nel fascio laser”.

“Il nostro studio dimostra un rivelatore di polarizzazione smart basato su intelligenza artificiale con funzionalità attualmente non ottenibili in strumenti convenzionali”, continua Claudio Conti (Sapienza Università di Roma). “Questo apre le porte alla comunicazione ottica sicura, a nuovi strumenti per la medicina e la guida autonoma”. 

Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Communications, apre importanti prospettive per l’applicazione della luce polarizzata strutturata nella comunicazione ottica, nell’imaging, e nella computazione.

https://www.lescienze.it/news/2023/04/12/news/rivelare_la_terza_dimensione_della_luce_con_lintelligenza_artificiale-11809616/

https://www.9colonne.it/407074/cnr-rivelare-la-terza-dimensione-della-luce-con-l-intelligenza-artificiale-1#.ZDfc5tLOMUE

https://www.fmag.it/2023/04/12/polarizzazione-immagini-svelata-ia-ricerca/

https://www.notizie.today/post/rivelare-la-terza-dimensione-della-luce-con-l-intelligenza-artificiale-873890.html

Riferimenti: 

Single-shot polarimetry of vector beams by supervised learning – Davide Pierangeli & Claudio Conti – Nature Communications (2023) https://doi.org/10.1038/s41467-023-37474-0

Supervised single-shot polarimetry in Nature Communications

DOI 10.1038/s41467-023-37474-0

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37474-0.pdf

States of light encoding multiple polarizations – vector beams – offer unique capabilities in metrology and communication. However, their practical application is limited by the lack of methods for measuring many polarizations in a scalable and compact way. Here we demonstrate polarimetry of vector beams in a single shot without any polarization optics. We map the beam polarization content into a spatial intensity distribution through light scattering and exploit supervised learning for single-shot measurements of multiple polarizations. We characterize structured light encoding up to nine polarizations with accuracy beyond 95% on each Stokes parameter. The method also allows us to classify beams with an unknown number of polarization modes, a functionality missing in conventional techniques. Our findings enable a fast and compact polarimeter for polarization-structured light, a general tool that may radically impact optical devices for sensing, imaging, and computing.