L'XFEL europeo rivela le fluttuazioni quantistiche in molecole complesse
Una pietra miliare nell'imaging molecolare
A causa del principio di indeterminazione di Heisenberg della fisica quantistica, gli atomi e le molecole non si fermano mai completamente, nemmeno nel loro stato energetico più basso. I ricercatori dell'European XFEL di Schenefeld, vicino ad Amburgo, sono ora riusciti per la prima volta a misurare direttamente questo movimento quantistico in una molecola complessa. Tuttavia, come riferiscono nella rivista Science, hanno dovuto far esplodere la molecola durante il processo.
L'immobilità assoluta esiste solo nella fisica classica. Nel mondo quantistico, anche lo stato fondamentale con l'energia più bassa è caratterizzato da fluttuazioni persistenti. Ciò è dovuto a un principio quantomeccanico scoperto da Werner Heisenberg cento anni fa durante lo sviluppo della meccanica quantistica. Le cosiddette fluttuazioni del punto zero sono un effetto quantistico che impedisce agli atomi di rimanere esattamente in una posizione fissa, anche a temperature prossime allo zero assoluto. All'European XFEL di Schenefeld, i ricercatori hanno ora reso direttamente osservabile ciò che prima era invisibile - e il mondo quantistico un po' più tangibile.
Un team internazionale guidato da Rebecca Boll dello strumento SQS (Small Quantum Systems) dell'European XFEL di Schenefeld, Ludger Inhester del centro di ricerca DESY e Till Jahnke dell'Istituto Max Planck per la Fisica Nucleare di Heidelberg, è riuscito a visualizzare il tremolio collettivo di un'intera molecola. Grazie a un sofisticato esperimento e a una raffinata analisi dei dati, sono riusciti a misurare le fluttuazioni quantistiche della molecola 2-iodopiridina (C5H4IN), composta da undici atomi: una pietra miliare nell'imaging molecolare. I ricercatori descrivono il loro lavoro nella famosa rivista Science.
I ricercatori hanno utilizzato un metodo spettacolare come il suo nome: Coulomb Explosion Imaging. Gli impulsi laser a raggi X ultracorti ed estremamente intensi dell'XFEL europeo tolgono molto rapidamente numerosi elettroni dagli atomi delle singole molecole di 2-iodopiridina. I nuclei atomici rimanenti si caricano positivamente, respingendosi a vicenda. Il risultato assomiglia a un microscopico big bang: i nuclei atomici volano via in un'esplosione.
Tuttavia, dalle direzioni di volo e dalle velocità misurate dei frammenti, i ricercatori possono ricostruire la disposizione originaria degli atomi e non solo: possono persino visualizzare le minuscole fluttuazioni quantomeccaniche.
La molecola di 2-iodopiridina è un cosiddetto anello piridinico. È costituita da un anello di carbonio che incorpora un atomo di azoto. Un atomo di iodio è attaccato a questo anello piridinico. Da un punto di vista classico, l'intera molecola è perfettamente planare, cioè tutti i suoi atomi si trovano esattamente in un piano. Se la molecola fosse un oggetto classico, dopo un'esplosione di Coulomb, tutti gli atomi e i frammenti volerebbero via esattamente all'interno del piano molecolare. Poiché i ricercatori hanno studiato la molecola nel suo stato fondamentale, si possono escludere deviazioni dovute a possibili vibrazioni molecolari.
Tuttavia, il team ha rilevato atomi carichi al di fuori del piano molecolare classicamente previsto. Le loro misurazioni corrispondono a calcoli di simulazione dettagliati che includono anche metodi di apprendimento automatico. "In questi calcoli abbiamo dovuto includere esplicitamente le fluttuazioni quantistiche per riprodurre i dati", spiega Benoît Richard del DESY e dell'Università di Amburgo, primo autore dell'articolo su Science.
"Inoltre, abbiamo potuto osservare la natura collettiva delle fluttuazioni quantistiche nei dati di misura", aggiunge Ludger Inhester. "Cioè, gli atomi della molecola non tremano indipendentemente l'uno dall'altro, ma si muovono in schemi coordinati".
I dati di misura sono stati registrati con un rivelatore chiamato microscopio a reazione COLTRIMS (REMI), una delle postazioni a disposizione degli utenti dello strumento SQS. Con questo dispositivo, molti frammenti possono essere riconosciuti e assegnati spazialmente allo stesso tempo.
"Abbiamo visto le prime indicazioni di questo comportamento correlato degli atomi nei dati già nel 2021, ma ci è voluto un po' di tempo per capire davvero tutto e convincere i nostri colleghi di questa straordinaria scoperta", dice Till Jahnke dell'Istituto Max Planck per la Fisica Nucleare di Heidelberg. Una sfida era rappresentata dal fatto che non tutti i frammenti della molecola possono essere rilevati in ogni impulso di raggi-X. I ricercatori hanno superato questo ostacolo utilizzando un nuovo metodo di analisi statistica sviluppato da Benoît Richard, in grado di ricostruire la distribuzione completa della quantità di moto della molecola anche da serie di dati così frammentarie. "Inoltre, i lampi di raggi X molto intensi dell'XFEL europeo fanno esplodere ogni molecola in modo molto efficiente e simile", sottolinea Rebecca Boll. "Con questo metodo siamo riusciti a decifrare la struttura dell'intera molecola", spiega Robin Santra del DESY e dell'Università di Amburgo. I ricercatori hanno anche rilevato chiaramente le "impronte digitali" delle fluttuazioni quantistiche degli atomi.
Il nuovo metodo apre strade completamente nuove per l'esplorazione di sistemi meccanici quantistici complessi. "Il Coulomb Explosion Imaging non si limita a fornire valori mediati, come avviene ad esempio nella cristallografia a raggi X, ma ci permette di studiare le singole molecole", afferma Boll. "In futuro, questa tecnica potrebbe essere utilizzata per studiare molecole ancora più grandi, e ora è possibile ottenere filmati risolti nel tempo dei loro movimenti interni", spiega Michael Meyer, scienziato capo dello strumento SQS: "E questo con una risoluzione temporale inferiore a un femtosecondo, cioè entro un quadrilionesimo di secondo".
Un progetto di follow-up sarà finanziato l'anno prossimo nell'ambito della strategia di eccellenza dei governi federali e statali tedeschi, come parte del cluster di eccellenza "CUI: Advanced Imaging of Matter". Questo cluster dell'Università di Amburgo collabora con il DESY, l'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia (MPSD) e l'European XFEL.
Il lavoro appena pubblicato dimostra in modo impressionante cosa è possibile fare quando si uniscono tecnologie laser all'avanguardia, meccanica quantistica e analisi sofisticata dei dati.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Benoît Richard, Rebecca Boll, Sourav Banerjee, Julia M. Schäfer, Zoltan Jurek, Gregor Kastirke, Kilian Fehre, Markus S. Schöffler, Nils Anders, Thomas M. Baumann, Sebastian Eckart, ... Rene Wagner, Peter Walter, Pawel Ziolkowski, Artem Rudenko, Michael Meyer, Robin Santra, Ludger Inhester, Till Jahnke; "Imaging collective quantum fluctuations of the structure of a complex molecule"; Science, Volume 389
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