Come i ricercatori generano vibrazioni “proibite” in singole molecole
Misurare ripetutamente la stessa molecola
Annunci
La possibilità di controllare le eccitazioni “proibite” delle vibrazioni nelle molecole potrebbe costituire la base per orologi estremamente precisi, bit quantistici e verifiche accurate delle leggi fondamentali della fisica. I ricercatori dell’Università di Basilea hanno ora compiuto un passo importante: hanno identificato e controllato tali transizioni “proibite” in singole molecole di azoto isolate senza distruggerle.
Il bagliore verde dell’aurora boreale deriva da un salto quantistico che i fisici definiscono «proibito». Il termine è un po’ fuorviante, poiché tali transizioni tra i livelli energetici di atomi e molecole non sono impossibili, ma solo estremamente improbabili. Tali eccitazioni possono essere oltre un miliardo di volte più deboli delle normali transizioni «ammesse».
Eppure è proprio questa debolezza a renderle così preziose. Una transizione proibita può avere una frequenza straordinariamente ben definita. Negli atomi, tali transizioni sono già alla base degli orologi più precisi di oggi. Nelle molecole, con i loro livelli energetici molto più complessi, sono rimaste molto difficili da individuare e controllare.
Ora, un gruppo di ricerca guidato dal professor Stefan Willitsch del Dipartimento di Chimica dell’Università di Basilea ha identificato e controllato in modo coerente tali transizioni in singole molecole intrappolate. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications.
Uno ione di calcio come messaggero
Il team ha studiato singole molecole di azoto che trasportano una carica elettrica positiva, note come ioni molecolari. Nel 2014, il gruppo di Willitsch è stato il primo a osservare vibrazioni proibite in uno ione molecolare, ma il metodo di rilevamento chimico utilizzato all’epoca distruggeva il campione di molecole in ogni ciclo di misurazione.
«Per ottenere la massima precisione, è molto meglio condurre esperimenti su singole molecole, senza perderle nel processo», afferma Stefan Willitsch.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno fatto ricorso a una tecnica chiamata spettroscopia a logica quantistica, in cui un secondo ione funge da messaggero. Intrappolano una singola molecola di azoto carica insieme a un atomo di calcio carico. La molecola di azoto non emette luce che i ricercatori possano rilevare facilmente, ma l’atomo di calcio può essere fatto brillare con la luce laser.
Un laser accuratamente regolato mette in movimento la coppia solo se la molecola di azoto si trova nel suo stato energetico più basso di vibrazione e rotazione. Osservando la risposta dello ione di calcio, i ricercatori ottengono informazioni sullo stato della molecola di azoto senza alterarlo.
Misurare ripetutamente la stessa molecola
Per individuare le frequenze luminose che eccitano le vibrazioni “proibite” della molecola, il team ha variato la frequenza di un altro laser. Alla frequenza corretta, un impulso laser eccita la vibrazione, mentre un secondo impulso riporta la molecola al suo stato iniziale. Poiché il processo è reversibile, la stessa molecola può essere misurata ripetutamente.
«L’utilizzo ripetuto della stessa molecola è stato fondamentale. Ha reso fattibile la ricerca di queste linee così deboli», afferma il dott. Aleksandr Shlykov, primo autore dello studio. Queste linee spettrali indicano le frequenze alle quali la molecola assorbe la luce.
Combinando le misurazioni effettuate su diverse centinaia di molecole preparate singolarmente, il team ha identificato diverse componenti della transizione. Ciò ha permesso loro di determinare la frequenza vibrazionale fondamentale della molecola con una precisione dieci volte superiore rispetto alle misurazioni precedenti.
Dagli orologi molecolari alla nuova fisica
Si prevede che molte di queste transizioni studiate siano straordinariamente insensibili ai disturbi esterni. Questa stabilità le rende utili come riferimenti precisi per la misurazione del tempo.
«Questo le rende candidate altamente promettenti per futuri orologi molecolari e qubit», afferma Stefan Willitsch.
Misurare con precisione le vibrazioni molecolari potrebbe anche aiutare a verificare le leggi fondamentali della fisica. I ricercatori potrebbero verificare, ad esempio, se le masse dei protoni e degli elettroni rimangono costanti nel tempo.
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
Annunci
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!