Fisici osservano per la prima volta singoli urti di atomi durante la diffusione

Dott. Michael Hohmann, primo autore dello studio (Foto: privato)

L'immagine mostra una cella a vuoto, con cui i fisici conducono i loro esperimenti. (Foto: AG Widera)

Per diffusione la ricerca comprende un processo in cui le più piccole particelle si diffondono in modo uniforme in un gas o un liquido. Sebbene questi mezzi siano costituiti da singole particelle, la diffusione viene percepita come un processo continuo. Fino ad ora non sono stati osservati effetti di singoli urti tra particelle, che rappresentano il fondamento della diffusione. Per la prima volta, fisici di Kaiserslautern ed Erlangen sono riusciti a osservare e descrivere teoricamente i passaggi fondamentali della diffusione di singoli atomi in un gas. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica Physical Review Letters.

Già quasi 200 anni fa, il medico e ricercatore scozzese Robert Brown osservò il moto browniano dei pollini in un liquido. Analogamente alla polvere di fiori, anche le più piccole particelle, come molecole o atomi, si distribuiscono in gas e liquidi. Durante questo processo, le singole particelle collidono tra loro, formando un modello di movimenti a zig zag e mescolando le sostanze diverse. Questi movimenti browniani sono chiamati "movimento browniano" nella scienza, mentre la diffusione e l'intermixing di diverse sostanze sono definiti come diffusione.

“La diffusione è di grande importanza in molti settori ed è alla base di molti processi di trasporto, ad esempio nelle cellule viventi o anche nei depositi di energia”, afferma il professor Dr. Artur Widera, che lavora presso il Politecnico di Kaiserslautern (TU) sulla fisica quantistica di singoli atomi e gas quantistici ultrafreddi. “Una comprensione dei processi di diffusione è quindi importante in quasi tutti i campi delle scienze della vita, dalla scienza naturale allo sviluppo tecnologico.”

Una comprensione semplice della diffusione nella scienza si ottiene trascurando le collisioni tra particelle. “In questo contesto, parliamo anche di un mezzo continuo, in cui, ad esempio, una particella più grande diffonde in modo uniforme”, spiega il Dr. Michael Hohmann, primo autore dello studio e ricercatore presso il professor Widera. Un esempio quotidiano è la nebbia. Può essere considerata un tale mezzo, anche se è composta da minuscoli goccioline d'acqua individuali.

Per il loro esperimento, i fisici di Widera hanno modificato le condizioni tipiche di un mezzo continuo: “Abbiamo usato singoli atomi, che hanno quasi la stessa massa degli atomi del gas, invece di grandi particelle come pollini. Inoltre, abbiamo utilizzato un gas molto freddo e sottile, per ridurre drasticamente la frequenza degli urti”, spiega Hohmann. Per la prima volta, i ricercatori di Kaiserslautern hanno osservato come gli atomi di cesio si diffondano in un gas di atomi di rubidio quasi a temperatura prossima allo zero assoluto. “A queste temperature, i frigoriferi non funzionano più. Abbiamo raffreddato e trattenuto gli atomi in un apparato a vuoto con raggi laser. La diffusione è stata così rallentata che si sono potuti osservare singoli passaggi di diffusione”, spiega il professor Widera sulla configurazione dell'esperimento.

Per la descrizione teorica dell'esperimento, i ricercatori di Kaiserslautern sono stati supportati dal collega professore di fisica teorica Dr. Eric Lutz dell’Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Nürnberg (FAU), che ha contribuito allo sviluppo del modello matematico. “Con questo nuovo modello, possiamo descrivere meglio il movimento degli atomi”, afferma il ricercatore di Erlangen.

Insieme, sono riusciti a dimostrare che basta modificare il fattore di attrito nel calcolo teorico del modello continuo. In questo modo, si possono descrivere anche casi in cui, come nel suddetto esperimento, non si tratta di un mezzo continuo. Questo è il caso, ad esempio, degli strati sottili di aria nell'atmosfera superiore, dello spazio interstellare o della tecnologia del vuoto, quando si diffondono aerosol, un miscuglio di particelle sospese.

Le scoperte dei ricercatori possono essere utili, ad esempio, per comprendere meglio la diffusione di aerosol nell'atmosfera o dei gas in sistemi a vuoto.

Gli editor della rivista scientifica Physical Review Letters considerano lo studio un lavoro particolarmente interessante e degno di nota, pubblicandolo come "Suggerimento dell'editor": “Atomi traccianti individuali in un gas diluito ultrafreddo”. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.263401

In aggiunta alla pubblicazione, esiste un articolo di approfondimento in inglese nel giornale online “Physics”: https://physics.aps.org/articles/v10/76