La scienza ha fatto un passo da gigante grazie a un gruppo di ricercatori che ha sviluppato un metodo per misurare con precisione la posizione tridimensionale di un atomo utilizzando una singola immagine. Questa innovazione promette di rivoluzionare gli esperimenti di meccanica quantistica e lo sviluppo di materiali, facilitando la manipolazione e il tracciamento preciso degli atomi.
Il principio fisico ingegnoso alla base del metodo
Il metodo, frutto della collaborazione tra le Università di Bonn e Bristol, si basa su un principio fisico ingegnoso. Per oltre dieci anni, i fisici hanno potuto individuare le posizioni esatte degli atomi individuali con una precisione inferiore al millesimo di millimetro utilizzando un microscopio specializzato. Tuttavia, questo metodo ha fornito finora solo le coordinate x e y, lasciando scoperta l’informazione sulla posizione verticale dell’atomo, ovvero la distanza tra l’atomo e l’obiettivo del microscopio.
La sfida della misurazione della terza dimensione
Chiunque abbia utilizzato un microscopio in una lezione di biologia per studiare una cellula vegetale potrà probabilmente ricordare una situazione simile. È facile dire che un certo cloroplasto si trova sopra e a destra del nucleo. Ma si trovano entrambi sullo stesso piano? Una volta che si regola la messa a fuoco sul microscopio, si vede che l’immagine del nucleo diventa più nitida mentre quella del cloroplasto si sfoca. Uno dei due deve essere un po’ più in alto e l’altro un po’ più in basso. Tuttavia, questo metodo non può fornirci dettagli precisi sulle loro posizioni verticali.
Il processo semplificato in un unico passaggio
“I ricercatori hanno ora sviluppato un metodo in cui questo processo può essere completato in un solo passaggio,” spiega Tangi Legrand dell’Istituto di Fisica Applicata (IAP) dell’Università di Bonn. “Per raggiungere questo obiettivo, utilizziamo un effetto che è già noto in teoria dagli anni ’90 ma che non era ancora stato utilizzato in un microscopio a gas quantistico.”
La deformazione della forma d’onda per rivelare la posizione
Per sperimentare sugli atomi, è prima necessario raffreddarli significativamente in modo che si muovano a malapena. Successivamente, è possibile, ad esempio, intrappolarli in un’onda stazionaria di luce laser. Essi poi scivolano nelle valli dell’onda simili a come le uova si posizionano in un portauova. Una volta intrappolati, per rivelare la loro posizione, vengono esposti a un ulteriore fascio laser, che li stimola a emettere luce. La fluorescenza risultante appare nel microscopio a gas quantistico come una macchia rotonda leggermente sfocata.
“I ricercatori hanno ora sviluppato un metodo speciale per deformare il fronte d’onda della luce emessa dall’atomo,” spiega il Dr. Andrea Alberti. Il ricercatore, che ora si è trasferito dall’IAP all’Istituto Max Planck di Ottica Quantistica di Garching, ha anche partecipato allo studio. “Invece delle tipiche macchie rotonde, il fronte d’onda deformato produce una forma a manubrio sulla fotocamera che ruota su se stessa. La direzione in cui questo manubrio punta dipende dalla distanza che la luce ha dovuto percorrere dall’atomo alla fotocamera.”
“Il manubrio agisce quindi un po’ come l’ago di una bussola, permettendoci di leggere la coordinata z in base al suo orientamento,” dice il Prof. Dr. Dieter Meschede. Il ricercatore dell’IAP, il cui gruppo di ricerca ha condotto lo studio, è anche membro dell’area di ricerca transdisciplinare “Materia” dell’Università di Bonn.
Importante per gli esperimenti di meccanica quantistica
Il nuovo metodo consente di determinare con precisione la posizione di un atomo in tre dimensioni con una singola immagine. Questo è importante, ad esempio, se si vogliono condurre esperimenti di meccanica quantistica con atomi, perché è spesso essenziale poter controllare o tracciare con precisione la loro posizione. Ciò consente ai ricercatori di far interagire gli atomi tra loro nel modo desiderato.
Inoltre, il metodo potrebbe anche essere utilizzato per aiutare a sviluppare nuovi materiali quantistici con caratteristiche speciali. “Ad esempio, potremmo indagare quali effetti quantistici si verificano quando gli atomi sono disposti in un certo ordine,” spiega la Dr.ssa Carrie Weidner dell’Università di Bristol. “Ciò ci permetterebbe di simulare le proprietà dei materiali tridimensionali in una certa misura senza doverli sintetizzare.”
