Osservata e âfilmataâ per la prima volta in modo diretto la natura ondulatoria di molecole dâazoto in rotazione. La tecnica utilizzata apre la strada a nuove possibilitĂ di manipolazioni molecolari al confine fra realtĂ quantistica e realtĂ classica. I risultati su Science Advances
Il cast non è esattamente di quelli da produzione hollywoodiana, essendo interamente formato da molecole dâazoto. Per di piĂš freddissime: appena 6 gradi sopra lo zero assoluto. E nemmeno la sceneggiatura si può dire che avvinca, visto che le suddette molecole altro non fanno se non ruotare su sĂŠ stesse. Però vi garantiamo che non correrete il rischio dâannoiarvi: il film racconta 0.013 miliardesimi di secondo della loro esistenza. Riprodotta a un rallenty esasperante (oltre duemila miliardi di volte), è vero. Ma il risultato finale, titoli di coda esclusi, è comunque contenuto: appena 33 terminabilissimi secondi. Pensate di poter resistere? Allora eccolo qui, in anteprima mondiale:
Questa originale pellicola, che potrebbe tranquillamente intitolarsi Quantum rotation: the movie (in realtĂ , il titolo scelto dai âproduttoriâ è un austero the movie), è appena uscita sulle pagine di Nature Advances. A realizzarla, negli studios del Tokyo Tech e dellâInstitute for Molecular Science di Okazaki, entrambi in Giappone, un team di fisici sotto la regia di Kenta Mizuse. Quello che mostra, per la prima volta al mondo, è lâimmagine diretta, e ad alta risoluzione, di pacchetti dâonda rotazionali (rotational wave packets) a direzione controllata in molecole dâazoto. Non sarĂ semplice, ma proviamo comunque a capirne un poâ di piĂš. In meccanica quantistica, un pacchetto dâonda è il risultato di una somma di onde, e viene usato per rappresentare una particella. Semplificando, possiamo dire che la particella ha maggiori probabilitĂ di trovarsi laddove lâampiezza del pacchetto dâonda è maggiore.
I pacchetti dâonda rotazionali rappresentano gli stati di moto (velocitĂ e direzione), variabili nel tempo, dâoggetti in rotazione.
Oggetti microscopici: nel nostro caso, appunto, molecole dâazoto. Controllate come? Anzitutto, per allinearle, Mizuse e colleghi le hanno colpite con un impulso prodotto da un laser allo zaffiro di titanio: evento che avviene nel video allâistante zero (634 femtosecondi dopo lâinizio, quando si vede apparire la freccia verde verticale). Poi, per farle ruotare nella direzione voluta (in senso antiorario), dopo altri 4000 femtosecondi (freccia verde inclinata, a rappresentare un angolo di polarizzazione di 45 gradi) le hanno colpite di nuovo. Le tre immagini mostrano gli effetti di queste azioni, nel corso del tempo, sulla probabilitĂ dâorientamento delle molecole. Cominciando dalla destra, abbiamo unâanimazione nella quale il valore di questa probabilità è rappresentato dallâopacitĂ dei dischetti. Al centro, il diagramma polare delle probabilitĂ angolari osservate. E a sinistra il film vero e proprio: lâimmagine diretta degli ioni dâazoto che formano le molecole.
Immagine ottenuta certo non con una pellicola. Per catturare lâorientamento delle molecole, i ricercatori hanno dovuto far ricorso alla tecnica dellâesplosione coulombiana: usando sempre lo stesso laser, hanno cioè ionizzato gli atomi dâazoto (ecco il perchĂŠ degli ioni di prima), inducendo cosĂŹ rapidissimi fenomeni esplosivi che lâapparato sperimentale costruito ad hoc è stato in grado di registrare. Con una risoluzione temporale che nemmeno la piĂš estrema delle GoPro potrebbe mai sognarsi: ogni fotogramma dura infatti 33 femtosecondi, vale a dire 33 milionesimi di miliardesimo di secondo.
Insomma, non sarĂ al livello dâun film di Kubrick, ma quanto a ossessione per le sfide tecnologiche al limite dellâimpossibile ci va vicino. Tutto per vedere qualche molecola ruotare, dite? Ebbene, in realtĂ quello che si intravede è qualcosa di piĂš: ciò che i fisici giapponesi hanno immortalato è la natura ondulatoria esibita da queste molecole in rotazione, dovuta al fatto la scala del fenomeno è talmente piccola da comportarsi secondo le bizzare leggi della meccanica quantistica. La speranza dei ricercatori è che la tecnica da loro sperimentata apra le porte a possibilitĂ di manipolazioni a livello molecolare fino a oggi mai esplorate. Per arrivare, per esempio, a creare veri e propri cronometri molecolari ultraveloci.
Leggi su Science Advances lâarticolo âQuantum unidirectional rotation directly imaged with moleculesâ, di Kenta Mizuse, Kenta Kitano, Hirokazu Hasegawa e Yasuhiro Ohshima
Marco Malaspina