Team di ricercatori dell'Università di Kaiserslautern svela i meccanismi del trasporto di energia atomica nel mondo quantistico

Nuvola di atomi ultrafreddi di rubidio, utilizzata in questo esperimento: si vede la fluorescenza che si genera durante l'illuminazione laser. (Foto: AG Ott/TUK)

Il trasporto di energia tra atomi e molecole è alla base di tutta la vita. Si basa sulle forze interatomiche, chiamate interazione dipolo-dipolo. Al gruppo di ricerca del Prof. Dott. Herwig Ott presso il Politecnico di Kaiserslautern (TUK) è riuscito ora di ricostruire un tale meccanismo di trasporto in un sistema disordinato. Per farlo, i ricercatori hanno osservato sperimentalmente l'interazione quantistica tra diversi atomi di Rydberg. In questo modo, hanno potuto comprendere l'influenza del disordine sulla distribuzione e sulla mobilità dell'energia eccitata tra gli atomi. La rivista scientifica "Nature Communications" ha pubblicato i risultati.

Come avviene il trasporto di energia tra atomi e molecole, lo illustra ad esempio la fotosintesi: quando la luce colpisce una cellula, la sua energia viene inizialmente assorbita da una molecola e poi trasportata tra molte altre molecole disordinate. Quando questo pacchetto di energia raggiunge il cosiddetto centro di reazione, avviene la conservazione permanente sotto forma di una trasformazione chimica.

Per comprendere meglio tali meccanismi di trasporto, il team di ricerca ha scelto un approccio sperimentale particolare ed è entrato nel regime quantistico: "Abbiamo superato diverse sfide tecnologiche", spiega Carsten Lippe, primo autore dello studio. "Lo si può vedere già dagli aspetti fondamentali necessari: a una pressione ambientale circa 1000 volte inferiore a quella dello spazio intorno alla Stazione Spaziale Internazionale, e a temperature vicine allo zero assoluto, alcuni atomi vengono eccitati tramite irraggiamento laser e portati in uno stato di Rydberg. In questo stato, in cui un elettrone viene portato su un'orbita molto distante dal nucleo atomico, l'atomo è circa 10.000 volte più grande rispetto allo stato normale."

Grazie a questa enorme dimensione, un atomo in stato di Rydberg è molto sensibile ad altri atomi di questo tipo e permette di studiare sperimentalmente le interazioni tra atomi, che altrimenti avverrebbero su scale di lunghezza molto più piccole.

Nel corso del loro esperimento, i ricercatori hanno generato, utilizzando diversi sistemi laser, due tipi diversi di atomi di Rydberg uno dopo l'altro e hanno studiato il trasporto di energia tra di essi. Hanno incontrato effetti della fisica quantistica che contraddicono la nostra concezione quotidiana. "Classicamente, si può immaginare un processo di trasporto come un salto: l'energia o l'eccitazione salta tra le molecole", spiega Ott. "Nella fisica quantistica, invece, grazie al principio di sovrapposizione, l'eccitazione può anche saltare contemporaneamente su più molecole, rendendo il trasporto molto più efficiente nel sistema. Si parla allora di trasporto coerente", aggiunge.

I ricercatori hanno dimostrato che la proporzione tra salto classico e trasporto coerente può essere controllata sperimentalmente. Ciò avviene tramite piccole variazioni nella lunghezza d'onda del laser di eccitazione utilizzato. "Normalmente, gli effetti della fisica quantistica sono fragili e svaniscono non appena ci sono disturbi, come quelli presenti nel sistema attuale a causa del disordine atomico nel gas", afferma Thomas Niederprüm, che ha co-guidato il lavoro con Ott. "Il fatto che in questo studio siano stati osservati tali effetti può aiutare a comprendere meglio altri sistemi complessi. Inoltre, l'interazione tra atomi di Rydberg può essere trasferita ad altri ambiti di ricerca attuale, come l'assorbimento e il trasporto della luce nelle molecole durante la fotosintesi. Studi recenti hanno mostrato che anche nella fotosintesi gli effetti quantistici giocano un ruolo importante e il trasporto di energia avviene in modo sorprendentemente efficiente nonostante il disordine."

Il lavoro di questa ricerca è stato condotto nell'ambito del progetto speciale OSCAR ("Controllo di sistemi aperti di materia atomica e fotonica"), finanziato congiuntamente dal Politecnico di Kaiserslautern e dall'Università di Bonn dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft. I risultati delle misurazioni e delle simulazioni, così come la descrizione della configurazione sperimentale, sono stati pubblicati sulla rivista di prestigio "Nature Communications":

"Realizzazione sperimentale di un modello di salto casuale 3D"; Carsten Lippe, Tanita Klas,
Jana Bender, Patrick Mischke, Thomas Niederprüm & Herwig Ott. L'articolo in lingua inglese è disponibile gratuitamente.
DOI: doi.org/10.1038/s41467-021-27243-2

Domande a cura di:
Prof. Dott. Herwig Ott
Dipartimento di Gas Quantistici Ultracaldi e Ottica Atomica / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: ott@physik.uni-kl.de