Sviluppato un nuovo metodo per studiare la struttura interna degli atomi
Rivelate proprietà precedentemente sconosciute dell'elemento samario
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La capacità di descrivere la struttura interna degli atomi è importante non solo per comprendere la composizione della materia, ma anche per progettare nuovi esperimenti per esplorare la fisica fondamentale. Esperimenti specifici richiedono campioni di atomi o molecole con proprietà particolari, che dipendono fortemente dal fenomeno da esplorare. Tuttavia, la conoscenza della struttura dei livelli energetici di molti atomi rimane incompleta, soprattutto nel caso delle terre rare e degli attinidi.
La cella al samario ad alta temperatura (~1040 °C) durante l'esperimento.
Razmik Aramyan
La spettroscopia è una delle tecniche più utilizzate per studiare la struttura degli atomi. Questa tecnica si basa sul principio che gli elettroni assorbono o emettono energia quando si spostano tra i livelli energetici di un atomo. Ogni elemento ha un insieme unico di lunghezze d'onda della luce che vengono emesse o assorbite a causa di queste transizioni. Questo è noto come spettro atomico.
"La spettroscopia ad alta risoluzione e a banda larga è essenziale per le misure di precisione in fisica atomica e per la ricerca di nuove interazioni fondamentali", spiega Razmik Aramyan, dottorando nel gruppo del Prof. Dr. Dmitry Budker e autore principale dell'articolo. "Ma i progressi sono spesso ostacolati dalla difficoltà di misurare spettri atomici complessi, soprattutto a causa di due limitazioni tecniche: la difficoltà di distinguere correttamente i segnali emessi dal campione e la gamma limitata di lunghezze d'onda che gli strumenti sono in grado di rilevare". Per superare queste limitazioni, Aramyan e i suoi collaboratori hanno applicato e sviluppato un metodo noto come spettroscopia a doppio pettine (DCS), che consente di misurare gli spettri atomici in un'ampia banda di frequenze elettromagnetiche con un'alta risoluzione e un'elevata sensibilità.
La DCS si basa sulla tecnica del pettine ottico di frequenza, per la quale è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica nel 2005. I pettini ottici di frequenza sono laser specializzati che misurano esattamente le frequenze della luce. Nel DCS, due di questi pettini vengono utilizzati in modalità coerente, consentendo misurazioni più accurate dello spettro del campione rispetto ai metodi convenzionali.
Per rilevare segnali deboli con elevata precisione - una delle sfide del DCS - il gruppo ha anche implementato più fotorivelatori per migliorare il cosiddetto rapporto segnale/rumore. Questa combinazione ha permesso di leggere chiaramente i dati sperimentali e di determinare le diverse lunghezze d'onda dello spettro. "Questo studio introduce un approccio DCS multicanale migliorato che combina un array di fotorivelatori con un nuovo schema per risolvere le ambiguità di frequenza, consentendo misure a banda larga prive di ambiguità e con un elevato rapporto segnale/rumore", riassume Aramyan.
Questo è il primo passo verso l'implementazione di "Spectroscopy 2.0", un progetto internazionale che mira a sviluppare quello che è noto come "strumento spettroscopico massivamente parallelo": uno strumento in grado di eseguire un gran numero di misure spettroscopiche simultaneamente. Questo strumento sarà utilizzato per eseguire spettroscopie di spettri atomici e molecolari densi sotto intensi campi magnetici.
Prima applicazione di successo: lo spettro del vapore di samario
Il DCS è particolarmente adatto a colmare le lacune nei dati atomici, come conferma la pubblicazione attuale. Grazie al loro approccio innovativo, Aramyan e colleghi hanno potuto registrare lo spettro del vapore di samario a diverse temperature e analizzare il comportamento spettrale a diverse concentrazioni di samario. Confrontando i loro risultati con le serie di dati esistenti, hanno trovato linee spettroscopiche precedentemente sconosciute.
"Abbiamo scoperto diverse linee di assorbimento del samario precedentemente non descritte. Questo illustra il potenziale del nostro metodo per scoprire proprietà atomiche precedentemente sconosciute. Apre promettenti possibilità per la spettroscopia massicciamente parallela, ad esempio per la spettroscopia degli atomi in campi magnetici pulsati e ultra-elevati", conclude Aramyan.
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