- Come si osservano le vibrazioni quantistiche in molecole complesse?
- Qual è il futuro della fisica atomica?
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Scoperte le vibrazioni quantistiche in una molecola complessa: una nuova frontiera nella fisica atomica
Un team di ricercatori ha recentemente raggiunto un traguardo storico, riuscendo per la prima volta a osservare direttamente come gli atomi continuino a vibrare anche dopo aver perso quasi tutta la loro energia. Questo avanzamento consente di rilevare movimenti atomici che prima erano visibili solo in molecole molto semplici.
Le vibrazioni quantistiche: un fenomeno fondamentale
Nel mondo della meccanica quantistica, nulla è mai realmente fermo. Anche le molecole che sembrano immobili sono in continuo movimento. Gli atomi al loro interno, sebbene possano perdere quasi tutta la loro energia e avvicinarsi al zero assoluto, non si fermano mai del tutto. Vibrano, seppur in modo minimo, a causa di un fenomeno chiamato vibrazione di punto zero.
Questo comportamento è una diretta conseguenza del principio di incertezza di Heisenberg (scopri di più su Wikipedia), una delle fondamenta della meccanica quantistica. Esso stabilisce che non è possibile conoscere con precisione sia la posizione che la velocità di una particella contemporaneamente. Fino ad oggi, si pensava che queste vibrazioni minime fossero rilevabili solo in molecole molto semplici. Tuttavia, un team di scienziati è riuscito ad osservare per la prima volta questi movimenti anche in una molecola di dimensioni medio-grandi, composta da 11 atomi, denominata yodopiridina.
La scoperta: un passo avanti nell’osservazione della materia
Il team di ricercatori, guidato dal fisico nucleare Till Janke dell’Università Goethe di Francoforte, ha utilizzato il XFEL europeo, il laser a raggi X più potente del mondo, situato a Amburgo. Grazie ai suoi pulses ultra-intensi, è stato possibile innescare una esplosione di Coulomb all’interno della molecola. Questo fenomeno avviene quando gli atomi perdono un gran numero di elettroni in un istante, causando la repulsione reciproca degli atomi che vengono espulsi in tutte le direzioni.
La tecnologia utilizzata: COLTRIMS per un’analisi precisa
Per misurare con la massima precisione il movimento degli atomi, i ricercatori hanno utilizzato uno strumento avanzato chiamato COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy), una sorta di microscopio che rileva il movimento delle particelle cariche. Questo dispositivo ha permesso di registrare il preciso istante in cui ogni atomo si spostava, ricostruendo con incredibile dettaglio i pattern di vibrazione quantistica all’interno della molecola.
Le vibrazioni osservate: un balletto di atomi
Non si è trattato solo di una singola vibrazione. I ricercatori hanno identificato fino a 27 pattern vibratori diversi, alcuni dei quali erano leggeri e fluidi come un balletto, altri intensi e rapidi come un tango. Questo risultato non era stato previsto all’inizio dell’esperimento. Anzi, i dati derivavano da un esperimento precedente, realizzato nel 2019, dove l’obiettivo era un altro. Tuttavia, esaminando i dati, i ricercatori hanno notato segnali insoliti che suggerivano vibrazioni di punto zero.
Un algoritmo innovativo per analizzare i movimenti atomici
Per comprendere meglio i dati, il team ha sviluppato un nuovo algoritmo di analisi che ha permesso di ordinare quelle che inizialmente sembravano informazioni caotiche. Considerando le coordinate tridimensionali di ciascuno degli 11 atomi, gli scienziati hanno lavorato su uno spazio dati di ben 33 dimensioni. Grazie a questo algoritmo avanzato, è stato possibile seguire in tempo reale il movimento simultaneo di tutti gli atomi all’interno della molecola.
Le implicazioni della scoperta per il futuro della scienza
Fino ad oggi, le vibrazioni di punto zero erano state osservate solo in molecole semplici. Questo nuovo approccio, tuttavia, apre la strada all’analisi di strutture più complesse, avvicinandoci allo studio di molecole funzionali o anche biomolecole. In altre parole, siamo passati dal sentire una singola nota musicale a comprendere l’intera sinfonia che la compone.
Progetti futuri: “Filmare” le dinamiche molecolari
Il team di ricerca non intende fermarsi qui. Sono in programma nuovi esperimenti, incentrati stavolta sul monitoraggio del movimento degli elettroni, che sono ancora più veloci e complessi da osservare. Se il team riuscirà a raggiungere questo obiettivo, potrebbe essere possibile “filmare” il comportamento interno di una molecola, come se stessimo guardando una pellicola della sua dinamica interna. Come afferma Janke:
“Se riusciremo a visualizzare questo ballo degli elettroni, potremmo catturare la vita di una molecola in movimento, fotogramma per fotogramma”.
Questa scoperta rappresenta una pietra miliare nella fisica quantistica e offre nuove opportunità per l’analisi delle molecole complesse. L’uso del laser a raggi X, combinato con tecnologie avanzate come COLTRIMS e algoritmi innovativi, apre scenari inediti nell’esplorazione della materia a livello atomico. Le prossime ricerche potrebbero rivoluzionare la nostra comprensione delle interazioni atomiche, con potenziali applicazioni in ambito biologico, chimico e fisico.
- Riferimenti: Imaging delle fluttuazioni quantistiche collettive della struttura di una molecola complessa [guarda su science.org]