Oltre quarant’anni fa gli scienziati osservarono un fenomeno enigmatico: cristalli di ghiaccio che emettono fluorescenza quando esposti a luce ultravioletta. La collaborazione tra il gruppo del ricercatore Ali Hassanali del Centro internazionale di fisica teorica Abdus Salam (Ictp) di Trieste e quello della professoressa Giulia Galli dell’Università di Chicago ha indagato questo processo con simulazioni quantistiche che hanno permesso di studiare con grande accuratezza quanto avviene a livello microscopico quando un cristallo di ghiaccio viene colpito da luce ultravioletta. Lo studio è stato pubblicato il mese scorso sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (Pnas) ed è il primo a esaminare da un punto di vista teorico il modo in cui i difetti controllano l’interazione tra luce e ghiaccio – un passaggio fondamentale per descrivere molti processi atmosferici e planetari.
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Per comprendere l’origine della fluorescenza Marta Monti, ricercatrice post-dottorato nel gruppo di Ali Hassanali all’Ictp e prima autrice dello studio, ha utilizzato le tecniche sviluppate dal gruppo di Galli per indagare gli aspetti chimici e fisici dell’interazione tra luce e ghiaccio, prendendo in considerazione un cristallo di ghiaccio di dimensioni tali da permettere una descrizione realistica del sistema, trattandolo interamente a livello quantistico. Questo è stato fondamentale per descrivere in modo accurato ciò che accade quando il cristallo viene portato in uno stato eccitato dalla luce. «Questi calcoli sono molto dispendiosi dal punto di vista computazionale, ma il nostro codice è progettato per essere molto efficiente», nota Yu Jin, ricercatore post-dottorato presso il Flatiron Institute, che all’epoca stava conseguendo il dottorato di ricerca presso l’Università di Chicago.
L’elemento determinante emerso dalle simulazioni è stata la presenza dei difetti. «Una volta introdotti dei difetti nei campioni di ghiaccio abbiamo iniziato ad osservare nelle nostre simulazioni caratteristiche negli spettri di assorbimento e di emissione coerenti con gli esperimenti», spiega Monti. Il ruolo importante giocato dalle imperfezioni non sorprende del tutto: «È noto che le proprietà elettriche e ottiche di molti materiali sono fortemente influenzate dai difetti e non c’è motivo di pensare che il ghiaccio sia diverso», spiega Galli.
Lo studio apre nuove possibili direzioni di ricerca. «Vorremmo continuare la collaborazione con il gruppo di Giulia per rendere le nostre simulazioni più accurate ed efficienti, ad esempio combinandole con metodi di apprendimento automatico che potrebbero accelerare i calcoli. Speriamo anche che a breve qualcuno raccolga la sfida di eseguire nuovi esperimenti che verifichino le nostre previsioni teoriche», conclude Hassanali.
Fonte: comunicato stampa Ictp
Per saperne di più:
- Leggi sui Proceedings of the National Academy of Sciences l’articolo “Defects at Play: Shaping the Photophysics and Photochemistry of Ice”, di Marta Monti, Yu Jin, Gonzalo Díaz Mirón, Arpan Kundu, Marco Govoni, Giulia Galli e Ali Hassanali