La microscopia al limite dello spazio-tempo
La microscopia a effetto tunnel ultraveloce raggiunge per la prima volta il limite spazio-temporale della meccanica quantistica: la chiave per controllare le reazioni chimiche?
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Il famoso principio di indeterminazione di Werner Heisenberg descrive una delle caratteristiche più affascinanti della fisica quantistica: alcune coppie di grandezze fisiche che descrivono una particella, come la posizione e la quantità di moto, non possono essere determinate contemporaneamente con precisione arbitraria — non a causa dell’imprecisione degli strumenti di misura, ma perché la natura lo vieta. Tra posizione e tempo, tuttavia, non esiste alcun principio di indeterminazione di Heisenberg. Un gruppo di ricerca composto da diversi gruppi della RUN guidati dai professori Jascha Repp, Rupert Huber, Franz Giessibl e Klaus Richter, nonché da un team dell’Istituto Max Planck di Amburgo guidato da Angel Rubio, ha ora osservato per la prima volta che la posizione e l’evoluzione temporale di un elettrone non possono essere misurate contemporaneamente con precisione arbitraria. Questo cosiddetto limite spazio-temporale ha importanti implicazioni per le applicazioni future.
Rappresentazione artistica di un pacchetto d’onda elettronico estremamente breve (in blu) al confine tra spazio e tempo. Il lampo elettronico, che dura solo attosecondi, viene generato tra la punta di uno speciale microscopio e un campione di materiale. È innescato da impulsi di luce infrarossa controllati con precisione (non raffigurati). Una nube di elettroni circonda il sistema, resa visibile da simulazioni al computer.
Brad Baxley (parttowhole.com)
Molte tecnologie del futuro, dalla tecnologia verde e dalle tecnologie quantistiche all’elettronica ad alte prestazioni per l’intelligenza artificiale, richiedono una comprensione precisa di come la materia funzioni a livello microscopico: come avvengono le reazioni chimiche, come la luce interagisce con la materia e come gli elettroni si muovono attraverso i componenti elettronici. A tal fine non bastano immagini fisse ad alta risoluzione degli elementi costitutivi microscopici della materia; sono invece necessari filmati al rallentatore risolti nel tempo provenienti dal nanocosmo.
Presso il Centro di Regensburg per la Nanoscopia Ultraveloce (RUN) vengono sviluppati microscopi ultraveloci utilizzati per catturare direttamente il movimento di elettroni, atomi e molecole in filmati al rallentatore microscopici con la massima risoluzione spaziale e temporale possibile. Dieci anni fa a Ratisbona, il movimento di una singola molecola nello spazio e nel tempo è stato risolto per la prima volta utilizzando la microscopia a effetto tunnel ultraveloce. Rispetto agli atomi e alle molecole, su questa scala di lunghezza gli elettroni si muovono mille volte più velocemente, ovvero su scale temporali dell’attosecondo. Gli ordini di grandezza sono estremi: un atomo è circa dieci milioni di volte più piccolo di un millimetro, e un attosecondo è un miliardesimo di un miliardesimo di secondo. Pertanto, un attosecondo sta al secondo come un secondo sta all’età dell’universo. Ciò che è particolarmente affascinante è che il moto degli elettroni non obbedisce alle leggi della meccanica classica, ma piuttosto alle strane regole della fisica quantistica.
Per ottenere un corrispondente aumento della risoluzione temporale rispetto agli esperimenti precedenti e per visualizzare e controllare direttamente le dinamiche quantistiche dei singoli elettroni, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo sistema laser. Utilizzando i suoi impulsi laser, controllano il movimento degli elettroni su queste scale temporali estreme in modo tale che gli elettroni si trasferiscano da una punta metallica di precisione atomica a una superficie d’argento su una distanza di soli pochi diametri atomici. Questi movimenti degli elettroni vengono misurati come corrente, e le informazioni temporali si ottengono utilizzando due impulsi di luce.
Simon Maier, autore principale dell’articolo, spiega: «Variando l’intervallo di tempo tra i due impulsi laser, possiamo osservare direttamente come reagiscono gli elettroni». Il movimento degli elettroni osservato in questo modo mostra caratteristiche su scale temporali dell’attosecondo — il che significa che gli impulsi luminosi possono trasferire elettroni su queste scale temporali, ed è possibile osservarli mentre lo fanno. Ciò che rende questo fenomeno speciale è che gli elettroni non si muovono come particelle classiche. Piuttosto, in quanto onde quantistiche, gli elettroni penetrano la barriera energetica tra la punta e il campione, per la quale in realtà non possiedono energia sufficiente secondo le leggi della fisica classica. Essi la «attraversano per effetto tunnel», come se stessero passando attraverso un muro massiccio senza distruggerlo. «La nostra misurazione può essere intesa come una telecamera ad alta velocità per i pacchetti d’onda degli elettroni, poiché è possibile vedere in quale istante avviene il processo di effetto tunnel», spiega Katharina Glöckl, dottoranda e coautrice della pubblicazione.
Per comprendere meglio la dinamica microscopica degli elettroni al “limite spazio-temporale”, il gruppo del Prof. Angel Rubio ha condotto complesse simulazioni quantistiche. I calcoli spiegano i risultati sperimentali con notevole accuratezza. Mostrano inoltre che l’elettrone non segue immediatamente il campo luminoso, ma con un minuscolo ritardo di 500 attosecondi.
In questa regione di frontiera delle scale spaziali e temporali più piccole, i limiti fisici fondamentali della fisica quantistica diventano evidenti su più livelli. L’effetto degli impulsi laser, ad esempio, non può essere chiaramente attribuito né al modello ondulatorio né a quello fotonico della luce, ma presenta caratteristiche di entrambi — ed è proprio questo che ha permesso ai ricercatori di addentrarsi così profondamente nel «limite spazio-temporale». Quando gli elettroni vengono spostati da impulsi luminosi su scale temporali così brevi, ciò comporta conseguenze complesse per la distribuzione spaziale degli elettroni, che nella meccanica quantistica sono descritti come pacchetti d’onda.
Raffael Spachtholz, anch’egli coautore dell’articolo, spiega: «Più vogliamo determinare con precisione la posizione dell’elettrone nel tempo, maggiore è l’energia che dobbiamo fornire. Di conseguenza, il pacchetto d’onda dell’elettrone si espande maggiormente nello spazio». Il team ha studiato questa relazione utilizzando un singolo atomo posizionato sulla superficie per confinare i pacchetti d’onda degli elettroni a livello atomico appena prima dell’arrivo degli impulsi luminosi. Ciò ha permesso loro di determinare direttamente la relazione tra la diffusione spaziale e quella temporale dei pacchetti d’onda degli elettroni. Fortunatamente, nonostante la forte eccitazione, i pacchetti d’onda degli elettroni rimangono definiti spazialmente con una nitidezza sufficiente a consentire una microscopia a risoluzione atomica su scale temporali dell’attosecondo.
Con questa ultima scoperta, il team sta spingendo i confini di un limite spazio-temporale delle funzioni d’onda elettroniche della meccanica quantistica, finora solo vagamente ipotizzato, al fine di indagare sistematicamente per la prima volta come le dinamiche temporali degli elettroni modellino la struttura spaziale della loro funzione d’onda. Ciò apre anche possibilità di applicazione completamente nuove. Ad esempio, il trasferimento di un elettrone a una molecola corrisponde al più piccolo trasferimento di carica possibile; tuttavia, se l’elettrone è confinato in un minuscolo volume spazio-temporale, ciò corrisponde a densità di corrente di picco locali estremamente elevate, fino a 1 trilione di ampere per centimetro quadrato. «In futuro, vogliamo utilizzare tali pacchetti d’onda per innescare in modo mirato reazioni chimiche e osservare, sulle scale di lunghezza e di tempo rilevanti, come i legami chimici possano essere rotti o alterati», spiega con entusiasmo il prof. Jascha Repp. «A lungo termine, le conoscenze acquisite potrebbero anche contribuire a far funzionare l’elettronica e l’elaborazione delle informazioni quantistiche al limite intrinseco di velocità del movimento stesso degli elettroni — centinaia di migliaia di volte più veloce rispetto alla tecnologia CMOS attualmente dominante», aggiunge il prof. Rupert Huber. I due responsabili del progetto concordano sul fatto che le potenziali applicazioni degli elettroni al limite spazio-temporale siano ora limitate più dall’immaginazione umana che dalla natura stessa.
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