Mai visto le onde quantistiche? Ecco il film

Il cast non è esattamente di quelli da produzione hollywoodiana, essendo interamente formato da molecole d’azoto. Per di più 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 sé stesse. Però vi garantiamo che non correte il rischio d’annoiarvi: 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 realtà, il titolo scelto dai “produttori” è un austero the movie), è appena uscita sulle pagine di Nature Advances. A realizzarla, negli studios del Tokyo Tech e dell’Institute 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 l’immagine diretta, e ad alta risoluzione, di pacchetti d’onda rotazionali (rotational wave packets) a direzione controllata in molecole d’azoto. Non sarà semplice, ma proviamo comunque a capirne un po’ di più. In meccanica quantistica, un pacchetto d’onda è il risultato di una somma di onde, e viene usato per rappresentare una particella. Semplificando, possiamo dire che la particella ha maggiori probabilità di trovarsi laddove l’ampiezza del pacchetto d’onda è maggiore. I pacchetti d’onda rotazionali rappresentano gli stati di moto (velocità e direzione), variabili nel tempo, d’oggetti in rotazione. Oggetti microscopici: nel nostro caso, appunto, molecole d’azoto.

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 all’istante zero (634 femtosecondi dopo l’inizio, 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 probabilità d’orientamento delle molecole. Cominciando dalla destra, abbiamo un’animazione nella quale il valore di questa probabilità è rappresentato dall’opacità dei dischetti. Al centro, il diagramma polare delle probabilità angolari osservate. E a sinistra il film vero e proprio: l’immagine diretta degli ioni d’azoto che formano le molecole.

Immagine ottenuta certo non con una pellicola. Per catturare l’orientamento delle molecole, i ricercatori hanno dovuto far ricorso alla tecnica dell’esplosione coulombiana: usando sempre lo stesso laser, hanno cioè ionizzato gli atomi d’azoto (ecco il perché degli ioni di prima), inducendo così rapidissimi fenomeni esplosivi che l’apparato sperimentale costruito ad hoc è stato in grado di registrare. Con una risoluzione temporale che nemmeno la più estrema delle GoPro potrebbe mai sognarsi: ogni fotogramma dura infatti 33 femtosecondi, vale a dire 33 milionesimi di miliardesimo di secondo.

Insomma, non sarà al livello d’un film di Kubrick, ma quanto a ossessione per le sfide tecnologiche al limite dell’impossibile ci va vicino. Tutto per vedere qualche molecola ruotare, dite? Ebbene, in realtà quello che si intravede è qualcosa di più: 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 possibilità di manipolazioni a livello molecolare fino a oggi mai esplorate. Per arrivare, per esempio, a creare veri e propri cronometri molecolari ultraveloci.

Per saperne di più:

• Leggi su Science Advances l’articolo “Quantum unidirectional rotation directly imaged with molecules”, di Kenta Mizuse, Kenta Kitano, Hirokazu Hasegawa e Yasuhiro Ohshima

Fonte: Media INAF | Scritto da Marco Malaspina