Nuovo studio: I fisici identificano gli stati energetici di singoli atomi dopo collisione

Il professor Herwig Ott (a sinistra) e Philipp Geppert stanno conducendo ricerche presso la TU Kaiserslautern su gas quantistici ultrafreddi e ottica quantistica degli atomi. (Foto: Koziel/TUK)

Il Professor Herwig Ott (a sinistra) e Philipp Geppert hanno sviluppato appositamente un microscopio speciale, con cui hanno misurato direttamente gli impulsi degli atomi. (Foto: Koziel/TUK)

Fisici dell'Università Tecnica di Kaiserslautern sotto la guida del Professor Dr. Herwig Ott sono riusciti per la prima volta a osservare collisioni tra atomi altamente eccitati, chiamati atomi di Rydberg, e atomi in stato fondamentale. La particolarità: possono identificare con precisione gli stati energetici di ciascun atomo. Finora ciò non era possibile. Per questo, i ricercatori hanno sviluppato un microscopio speciale con cui hanno misurato direttamente gli impulsi degli atomi. I processi osservati sono importanti per la comprensione del plasma interstellare e dei plasma ultrafreddi prodotti in laboratorio. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica "Nature Communications".

Nel loro esperimento, i fisici hanno utilizzato una nube di atomi di rubidio, raffreddata a circa 100 microkelvin — cioè 0,0001 gradi sopra lo zero assoluto — in un vuoto ultralow. Alcuni di questi atomi sono stati successivamente eccitati tramite laser in uno stato di Rydberg. «In questo modo, l'elettrone più esterno viene portato su orbite molto lontane dal nucleo atomico», spiega il Professor Herwig Ott, che lavora alla TU Kaiserslautern sulla fisica dei gas quantistici ultrafreddi e sull'ottica quantistica degli atomi. «Il raggio orbitale dell'elettrone può superare un micrometro e la nube di elettroni diventa più grande di un piccolo batterio.» Tali atomi altamente eccitati si formano anche nello spazio interstellare e sono chimicamente estremamente reattivi.

Quando un atomo di Rydberg e un atomo in stato fondamentale si incontrano, si verifica una cosiddetta collisione inelastica. «In questo caso, l'atomo in stato fondamentale si immerge profondamente nell'orbita dell'elettrone di Rydberg», prosegue. La dinamica molecolare successiva dei due atomi è molto complessa e porta alla loro separazione, con il cambiamento dell'orbita dell'elettrone.

«Durante questa variazione di stato, sia il numero quantico principale sia il numero quantico di momento angolare dell'elettrone possono cambiare», afferma Philipp Geppert, primo autore dello studio. Spiega inoltre: «Dalla distribuzione di questi stati finali possiamo ottenere nuove conoscenze sui processi di collisione atomica, nei quali sono importanti sia le grandi che le piccole distanze nucleari.»

L'elettrone di Rydberg ritorna in questo stato finale su un'orbita più vicina al nucleo atomico. In questo processo, viene rilasciata energia. Questa energia viene trasferita sotto forma di energia cinetica ai due atomi coinvolti, che si allontanano in direzioni opposte a causa della conservazione dell'impulso.

Questo movimento può essere ora osservato con un microscopio di impulso, sviluppato appositamente dagli scienziati per l'esperimento. Il principio di base è piuttosto semplice: gli atomi neutrali vengono ionizzati con un impulso laser e guidati verso un rivelatore sensibile alla posizione mediante un debole campo elettrico. Il punto di impatto dipende dalla velocità iniziale degli atomi e ne rivela l'impulso. Il microscopio può risolvere anche le più piccole differenze di velocità, permettendo di identificare con precisione gli stati finali di ciascun atomo.

Le scoperte aiutano a comprendere i processi atomici fondamentali nel plasma. Si tratta di un miscuglio di particelle diverse come elettroni, ioni, atomi e molecole. La ricerca sul plasma svolge un ruolo importante, ad esempio, per studiare più precisamente le interazioni tra le particelle. Poiché il plasma si trova anche nello spazio, i risultati ottenuti in laboratorio possono essere rilevanti per l'astrofisica, per comprendere meglio i processi chimici e fisici che avvengono nello spazio interstellare.

Il lavoro di questa ricerca è stato condotto nell'ambito del programma di eccellenza "Giant Interactions in Rydberg Systems", finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft. È stato realizzato nel settore di ricerca OPTIMAS (Centro di Ricerca Statale per l'Optica e le Scienze dei Materiali), che dal 2008 è parte dell'iniziativa di ricerca regionale.

I risultati delle misurazioni e una descrizione della configurazione sperimentale sono stati pubblicati sulla rinomata rivista "Nature Communications": "Diffusive-like redistribution in state-changing collisions between Rydberg atoms and ground state atoms"; Philipp Geppert, Max Althön, Daniel Fichtner & Herwig Ott
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24146-0
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24146-0

Domande a cui rispondere:

Prof. Dr. Herwig Ott
Dipartimento di Gas Quantistici Ultracold e Ottica Quantistica / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: ott@physik.uni-kl.de