Una svolta nel raffreddamento laser: intrappolamento di una molecola stabile con luce ultravioletta profonda
La sfida di intrappolare molecole chimicamente stabili
Annunci
I ricercatori del Dipartimento di Fisica Molecolare del Fritz Haber Institute hanno dimostrato la prima trappola magneto-ottica di una molecola stabile a "guscio chiuso": il monofluoruro di alluminio (AlF). Sono riusciti a raffreddare l'AlF con il laser e a intrappolarlo selettivamente in tre diversi livelli quantistici rotazionali, aprendo un nuovo terreno nella fisica ultrafredda. I loro esperimenti aprono le porte alla spettroscopia di precisione avanzata e alla simulazione quantistica con l'AlF.
Il setup sperimentale: Trappola magneto-ottica per il raffreddamento laser del monofluoruro di alluminio (AlF)
© FHI
Fisica ultrafredda: una porta verso la meccanica quantistica
Il raffreddamento della materia a temperature prossime allo zero assoluto (0 K, -273,15 °C) agisce come un microscopio per il comportamento della meccanica quantistica, mettendo a fuoco una fisica normalmente sfocata. Esempi storici classici sono la scoperta, nel 1911, della superconduttività nel mercurio metallico raffreddato vicino a 4 K e il comportamento termico anomalo dell'idrogeno molecolare dovuto ai suoi stati di spin "orto" e "para". Questi fenomeni hanno confuso le teorie della fisica classica dell'epoca, spingendo sia l'evoluzione della meccanica quantistica sia gli sforzi per raggiungere temperature sempre più basse.
In seguito all'invenzione del laser, i fisici si resero conto che i cicli di raffreddamento potevano essere realizzati attraverso l'interazione della materia con la luce. L'effetto di una singola particella di luce (un "fotone") è minuscolo, ma se accumulato molte migliaia di volte in un ciclo, il raffreddamento laser diventa estremamente potente: le temperature finali raggiunte possono essere di circa un millesimo o un milionesimo di grado sopra lo zero Kelvin (10-3 - 10-6 K). Questo è tipicamente chiamato regime ultrafreddo.
Intrappolamento magneto-ottico
Da quasi 40 anni è possibile preparare atomi neutri ultrafreddi in "trappole magneto-ottiche". Qui, fasci laser multipli di intrappolamento si combinano con un campo magnetico scelto correttamente per confinare le particelle e raffreddarle a circa un millesimo di grado sopra la temperatura dello zero assoluto. Questa tecnica chiave ha portato, ad esempio, agli attuali orologi atomici ottici, a prototipi di computer e simulatori quantistici basati sull'atomo e all'osservazione di nuove fasi della materia.
Poco più di dieci anni fa, i ricercatori sono riusciti a raffreddare e intrappolare con il laser una molecola biatomica, il composto chimico più semplice possibile, ma con una struttura energetica molto più complicata di un atomo. Sebbene vi siano forti motivazioni per portare le molecole nel regime di ultrafreddo, questa complessità rappresenta una sfida considerevole. Prima d'ora, solo poche molecole reattive con elettroni spaiati (spesso chiamate specie a "doppietto di spin") sono state caricate in trappole magneto-ottiche.
La sfida di intrappolare molecole chimicamente stabili
Nel presente studio, il team di ricerca del Dipartimento di Fisica Molecolare presenta esperimenti che potrebbero rivoluzionare la fisica con molecole ultrafredde: Essi dimostrano la prima trappola magneto-ottica di una molecola "spin-singlet", il monofluoruro di alluminio (AlF). L'AlF ha un legame chimico estremamente forte che, insieme ad altre proprietà, lo rende chimicamente inerte rispetto a tutte le altre molecole raffreddate al laser. Grazie a queste proprietà è più facile da produrre in laboratorio con un'elevata efficienza ed è improbabile che si perda in esperimenti ultrafreddi attraverso reazioni chimiche.
Ma perché questo passo rivoluzionario è stato compiuto solo ora? Le molecole che richiedono molta energia per essere fatte a pezzi tendono anche ad avere gap energetici molto grandi tra i loro stati elettronici. Di conseguenza, le lunghezze d'onda laser necessarie per il raffreddamento si spingono sempre più nell'ultravioletto, aumentando notevolmente le sfide sperimentali. Per raffreddare l'AlF sono stati necessari quattro sistemi laser, ciascuno con una lunghezza d'onda vicina ai 227,5 nm. Si tratta di una lunghezza d'onda molto vicina all'"ultravioletto profondo" dello spettro e della lunghezza d'onda più corta finora utilizzata per intrappolare qualsiasi atomo o molecola. L'intrappolamento dell'AlF ha richiesto nuove innovazioni nella tecnologia laser e nell'ottica, per le quali è stata essenziale una forte collaborazione tra industria e università.
La configurazione degli elettroni è importante
Non è solo la sua stabilità chimica a rendere l'AlF così promettente per la scienza quantistica. Un altro aspetto unico dell'esperimento è che l'AlF può essere raffreddato al laser e intrappolato in più livelli quantistici rotazionali. Il team dell'FHI è stato in grado di passare da un livello rotazionale all'altro nella trappola, semplicemente regolando finemente le lunghezze d'onda del laser utilizzato, e prevede che livelli rotazionali più elevati possano essere intrappolati con sorgenti molecolari diverse da quelle attualmente in uso. Questa caratteristica distingue l'AlF dalle altre molecole raffreddate al laser prodotte finora: per queste molecole è stato raffreddato e intrappolato un solo livello rotazionale e l'estensione a livelli rotazionali diversi è molto più impegnativa.
"Il sogno per noi sarebbe intrappolare AlF da una sorgente di vapore compatta e poco costosa, simile a quella utilizzata per gli atomi alcalini", afferma Sid Wright, che si è unito al progetto AlF nel 2020 e attualmente guida il team FHI. "Negli esperimenti iniziali, abbiamo visto che l'AlF può sopravvivere alle collisioni con le pareti del vuoto a temperatura ambiente - anche termalizzandosi - il che è molto promettente".
Un lungo percorso in laboratorio porta a risultati promettenti
Per raggiungere questo traguardo ci sono voluti quasi otto anni di duro lavoro in laboratorio: prima lo studio dettagliato delle proprietà spettroscopiche dell'AlF, poi lo sviluppo e la sperimentazione della tecnologia deep-UV per la trappola e infine l'intrappolamento laser e magneto-ottico. "Si è trattato di un enorme lavoro di squadra e i nostri risultati sono in gran parte dovuti al fantastico ambiente di ricerca, al supporto tecnico e alle risorse del Dipartimento di Fisica Molecolare", afferma Eduardo Padilla, il principale studente laureato del progetto.
I recenti risultati ampliano le possibilità della fisica molecolare ultrafredda e l'AlF raffreddato al laser consentirà probabilmente nuove misure di precisione e il controllo quantistico delle molecole. Un aspetto particolarmente interessante dell'AlF è la presenza di uno stato elettronico "metastabile" di lunga durata, in cui gli spin degli elettroni si combinano per formare il cosiddetto "tripletto di spin". Lo stato metastabile può essere raggiunto dallo stato fondamentale tramite un'altra transizione ultravioletta, e questo apre la porta a temperature ancora più basse.
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
J. E. Padilla-Castillo, J. Cai, P. Agarwal, P. Kukreja, R. Thomas, B. G. Sartakov, S. Truppe, G. Meijer, and S. C. Wright; Magneto-optical trapping of aluminum monofluoride; Phys. Rev. Lett. - Accepted 17 October, 2025
Altre notizie dal dipartimento scienza
Le notizie più lette
Altre notizie dagli altri portali
Vedere i mondi tematici per i contenuti correlati
Mondo Tematico della Spettroscopia
L'analisi attraverso la spettroscopia ci offre prospettive uniche sulla composizione e sulla struttura dei materiali. Dalla spettroscopia UV-Vis alla spettroscopia infrarossa e Raman, fino alla spettroscopia di fluorescenza e di assorbimento atomico - la spettroscopia ci fornisce un'ampia gamma di tecniche analitiche per caratterizzare le sostanze con precisione. Immergiti nell'affascinante mondo della spettroscopia!
Mondo Tematico della Spettroscopia
L'analisi attraverso la spettroscopia ci offre prospettive uniche sulla composizione e sulla struttura dei materiali. Dalla spettroscopia UV-Vis alla spettroscopia infrarossa e Raman, fino alla spettroscopia di fluorescenza e di assorbimento atomico - la spettroscopia ci fornisce un'ampia gamma di tecniche analitiche per caratterizzare le sostanze con precisione. Immergiti nell'affascinante mondo della spettroscopia!