UNA TECNICA DI SPETTROSCOPIA LOGICA QUANTISTICA

Doppio salto rotazionale senza rompersi

Al PTB, l’istituto tedesco di metrologia, sono riusciti per la prima volta a stabilire lo stato quantistico rotazionale di uno ione molecolare - non fluorescente - lasciando intatta la molecola campione. Lo studio, pubblicato su Nature, ha implicazioni anche per astrochimica e astrofisica

Concetto di base dell'esperimento: MgH+ (arancione) e Mg+ (verde) sono bloccati insieme in una trappola ionica lineare. Il composto di due ioni viene raffreddato allo stato di moto fondamentale tramite lo ione atomico. Una forza di dipolo oscillante cambia lo stato dinamico a seconda dello stato rotazionale dello ione molecolare. Questo cambiamento può essere rilevato sullo ione atomico. Crediti: PTB

Concetto di base dell’esperimento: MgH+ (arancione) e Mg+ (verde) sono bloccati insieme in una trappola ionica lineare. Il composto di due ioni viene raffreddato allo stato di moto fondamentale tramite lo ione atomico. Una forza di dipolo oscillante cambia lo stato dinamico a seconda dello stato rotazionale dello ione molecolare. Questo cambiamento può essere rilevato sullo ione atomico. Crediti: PTB

Sull’ultimo numero di Nature è stata pubblicata una ricerca condotta da scienziati del QUEST, l’Istituto che si occupa di metrologia quantistica sperimentale all’interno del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), l’ente tedesco di metrologia. Nell’articolo, il gruppo di ricerca ha dimostrato la prima implementazione di una tecnica non distruttiva di rilevamento dello stato quantistico per gli ioni molecolari.

In particolare, i ricercatori hanno osservato, in tempo reale e in situ, variazioni dello stato rotazionale di una specifica molecola, opportunamente trattenuta in una trappola elettrica e sottoposta all’azione di un laser. Secondo Piet Schmidt, che ha guidato la ricerca, questa tecnica permetterà lo sviluppo della spettroscopia logica quantistica, con applicazioni che spaziano dalla caratterizzazione chimica alle verifiche di principi della fisica fondamentale, d’interesse anche astrofisico e astrochimico.

Determinare lo stato quantistico di un sistema fisico significa definire in maniera matematica tutte le componenti che permettono di descriverlo. Ad esempio, è conoscenza comune che solo un preciso numero di elettroni possono occupare un determinato orbitale di un atomo. Anche il momento angolare è quantizzato, potendo cioè assumere solo certi valori discreti che corrispondono a differenti stati di energia rotazionale. Le transizioni rotazionali, ovvero i salti da uno stato rotazionale all’altro, sono importanti in fisica a causa delle linee spettrali uniche che producono. Esistono attualmente alcuni metodi per definire lo stato quantistico di molecole, sfruttando caratteristiche come la fluorescenza. Quando ciò non è possibile si ricorre a tecniche più invasive, che richiedono la distruzione della molecola in esame per determinarne lo stato.

Piet Schmidt (a sx) con alcuni dirigenti del QUEST. Crediti: PTB

Piet Schmidt (a sx) con due colleghi del QUEST. Crediti: PTB

Piet Schmidt e il suo team lavorano da tempo su sistemi spettroscopici innovativi nei quali, accanto allo ione sotto indagine, viene intrappolata una seconda particella, di specie differente ma di carica elettrica uguale, la cui fluorescenza può essere usata per rilevare lo stato della molecola principale. A causa della loro repulsione elettrica, entrambe le particelle si comportano come se fossero connesse da una robusta molla, muovendosi di conseguenza in modo sincronizzato.

Nel loro esperimento, gli scienziati tedeschi hanno introdotto nella stessa “trappola” costituita da campi elettrici uno ione molecolare MgH+, come campione da analizzare, assieme a uno ione atomico Mg+, sul quale sono state effettuate le misure. Un laser è stato poi utilizzato per stabilizzare il movimento delle particelle a un livello comune iniziale.

Un secondo laser è stato impiegato come una sorta di pinzetta ottica di precisione per sollecitare lo ione molecolare in esame. «Il laser riesce a muovere la molecola solo se questa si trova in uno stato rotazionale particolare», spiega Fabian Wolf, fisico del QUEST e primo firmatario dell’articolo. «Siamo poi in grado di rilevare l’effetto di eccitazione, che si ripercuote sia sulla molecola che sull’atomo, utilizzando laser aggiuntivi. Se vediamo l’atomo accendersi, significa che la molecola era nello specifico stato sensibile al nostro sondaggio. Se rimane scuro, allora la molecola era in qualche altro stato.»

«Grazie alla natura non distruttiva della nostra tecnica», commenta Piet Schmidt, «abbiamo potuto osservare la molecola saltare da uno stato di rotazione all’altro. È la prima volta che tali salti quantici sono stati osservati direttamente in una molecola isolata. Il prossimo passo è riuscire a predisporre direttamente la molecola nello specifico stato quantico richiesto dall’esperimento, invece di aspettare che la radiazione termica lo determini in modo casuale, come succede ora.»

Ecco il tipico segnale che i ricercatori osservano in presenza di un salto quantistico da uno stato rotazionale all’altro (blu e rosso). Crediti: PTB

Ecco il tipico segnale che i ricercatori osservano in presenza di un salto quantistico da uno stato rotazionale all’altro (blu e rosso). Crediti: PTB

Le transizioni rotazionali sono importanti in fisica a causa delle linee spettrali uniche che producono. Poiché esiste un guadagno netto di energia durante una transizione, in questa transizione deve essere assorbita o emessa della radiazione elettromagnetica di una particolare frequenza, che può essere rilevata da uno spettroscopio, attraverso la cosiddetta spettroscopia rotazionale (o spettroscopia a microonde).

Un campo applicativo – da sviluppare negli anni futuri a livelli di precisione migliori degli attuali – che gli autori del nuovo studio ritengono fondamentale non solo per la chimica quantistica, ma anche per verificare la variazione di costanti fondamentali della fisica, o di proprietà ancora nascoste delle particelle fondamentali, come il momento di dipolo elettrico dell’elettrone.

Un’importante applicazione della spettroscopia rotazionale si ha nell’esplorazione della composizione chimica del freddo mezzo interstellare. Le transizioni a microonde possono infatti essere misurate in laboratorio (vedi qui su Media INAF il notevole caso del Fullerene C60) e confrontate con le deboli emissioni delle molecole presenti nel mezzo interstellare, osservate usando i radiotelescopi.

Quando le tecniche di spettroscopia logica quantistica raggiungeranno i livelli di accuratezza necessaria, si potranno inoltre confrontare i valori degli spettri di assorbimento generati da nubi interstellari con i dati ottenuti in laboratorio, per indagare possibili variazioni di costanti fondamentali su tempi scala cosmologici.