Fisici di Kaiserslautern modificano l'interazione atomica nella materia ultrafredda

L'immagine mostra una nuvola ultrafredda di atomi di rubidio (rosso) nell'esperimento presso la TUK. (Foto: TUK/AG Ott)

Fisici dell'Università Tecnica di Kaiserslautern (TUK) sotto la guida del Professor Dr. Herwig Ott sono riusciti per la prima volta a modificare l'interazione tra due atomi in materia ultrafredda utilizzando cosiddetti molecole di Rydberg. Queste molecole di grandi dimensioni, recentemente scoperte, sono composte da soli due atomi, il cui meccanismo di legame non può essere descritto con i modelli chimici convenzionali. Possiedono proprietà straordinarie come, ad esempio, una lunghezza di legame molto grande. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica "Nature Communications".

Le interazioni sono i fondamentali costruttori del nostro mondo. Non solo nella vita sociale, ma anche nella materia che ci circonda. All'inizio del XX secolo, il fisico Ernest Rutherford constatò che anche l'oro è costituito per oltre il 99 percento da nulla. Solo l'interazione tra particelle singole rende la materia ciò che è. Garantisce che il nostro mondo tenga insieme nel suo nucleo.

Questo vale non solo per il nostro mondo quotidiano, ma anche per il mondo della fisica quantistica. Per studiare i fenomeni quantistici, i fisici spesso utilizzano gas atomici ultrafreddi. "Qui si raggiungono temperature vicino allo zero assoluto, circa -273 gradi Celsius", dice il Professor Dr. Herwig Ott, che presso la TUK ricerca gas quantistici ultrafreddi e ottica quantistica atomica. "Il comportamento dei gas atomici è determinato dall'interazione tra gli atomi." Gli esperti parlano in questo contesto anche di un processo di scattering quantistico. "Per la scienza, tali gas sono di grande importanza nello studio di effetti quantistici, perché queste interazioni possono essere modificate in laboratorio", prosegue il professore.

Per la materia che ci circonda nella vita quotidiana, di solito non è così. "Le molecole d'acqua in un bicchiere di acqua, ad esempio, hanno sempre la stessa interazione e la domanda su quali sarebbero le proprietà dell'acqua se le molecole d'acqua si attrassero due volte di più, non può essere risolta sperimentalmente", spiega il fisico.

Ora, i ricercatori guidati dal Professor Ott sono riusciti per la prima volta a modificare l'interazione tra atomi ultrafreddi utilizzando cosiddetti molecole di Rydberg. L'idea dell'esperimento: due atomi che si scontrano vengono temporaneamente portati in uno stato simile a una molecola tramite un raggio laser. "In questo modo, trascorrono più tempo insieme", spiega il professore. "Questo modifica il processo di scattering quantistico tra i due atomi e quindi anche l'interazione tra di loro."

Nel loro esperimento, i ricercatori di Kaiserslautern sono riusciti a osservare questo: hanno "costruito" una molecola di Rydberg a partire da due atomi di rubidio. Questa forma di molecole è stata scoperta solo pochi anni fa. Si tratta di molecole grandi quanto i virus, ma composte da soli due atomi. Di solito, le molecole composte da due atomi sono molto più piccole. A differenza dei legami noti finora, in cui, ad esempio, due atomi condividono un elettrone, qui agisce un meccanismo diverso: un elettrone ha un legame molto debole con il nucleo atomico ed è in uno stato chiamato stato di Rydberg. Il secondo atomo interagisce quantisticamente con l'elettrone e si forma un legame debole tra i due atomi.

"Queste molecole si distinguono per una serie di proprietà straordinarie", afferma il professore, "come ad esempio la loro lunghezza di legame estremamente grande di alcune centinaia di nanometri e i loro grandi momenti di dipolo elettrico." Con questo termine, la scienza intende il fatto che le molecole possono possedere una carica positiva e negativa separata nello spazio.

I risultati dei ricercatori di Kaiserslautern permettono, da un lato, di modificare l'interazione in quasi ogni gas ultrafreddo. Dall'altro, aprono nuove possibilità di applicazione, come il controllo diretto delle interazioni tra più particelle. "Ma anche le interazioni a lunghe distanze, più di quanto fosse possibile finora, possono essere indotte in futuro", cita come esempio il fisico. "In questo modo, in futuro si potrebbero realizzare nuovi stati della materia in gas ultrafreddi."

Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica "Nature Communications": "Realizzazione sperimentale di una risonanza ottica di Rydberg in un sistema quantistico many-body"; O. Thomas, C. Lippe, T. Eichert & H. Ott
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04684-w

Il lavoro è stato finanziato dal Centro di Ricerca Statale di Ottica e Scienze dei Materiali, chiamato OPTIMAS, dalla scuola di dottorato "Materials science IN MainZ" (MAINZ) e dai due programmi di ricerca speciali "Condensed Matter Systems with Variable Many-Body Interactions" e "OSCAR - Open System Control of Atomic and Photonic Matter".