Per capire come gli atomi si combinano per formare molecole, dobbiamo catturarli in azione. Ma per fare questo, i fisici devono fermare gli atomi abbastanza a lungo da poter registrare le loro interazioni.
Questo non è un compito facile, ma è stato seguito da fisici dell'Università di Otago.
Finora, il modo migliore per comprendere le complessità delle varie interazioni degli atomi è stato calcolare le correlazioni basate sui valori medi tra un ammasso di particelle.
Questa versione crowdsourcing della tecnologia atomica fornisce molta scienza utile, ma non riesce a cogliere i dettagli chiave della collisione e delle collisioni di schiacciamento tra singole particelle che causano la dispersione e la fusione di altre.
Anche se riesci a catturare più atomi nello stesso spazio, ogni collisione può far uscire gli atomi dal tuo esperimento.
Un modo per analizzare tali collisioni è afferrare atomi isolati con l'equivalente di un minuscolo paio di pinzette, tenerli fermi e registrare i cambiamenti man mano che si verificano.
Fortunatamente, esiste un tale paio di pinzette. Realizzate con luce polarizzata appositamente allineata, queste pinze laser possono fungere da trappole ottiche per piccoli oggetti.
Date le lunghezze d'onda relativamente corte della luce, lo sperimentatore ha buone possibilità di catturare qualcosa di piccolo come un singolo atomo. Ovviamente, devi prima raffreddare gli atomi per renderli più facili da catturare, quindi selezionarli nello spazio vuoto.
Mikkel Andersen (a sinistra) e Marvin Weiland nel laboratorio di fisica.
Sembra facile. Ma il processo richiede la giusta tecnologia e molta pazienza per essere realizzato.
“Il nostro metodo prevede l'acquisizione individuale e il raffreddamento di tre atomi a circa un milionesimo Kelvin utilizzando raggi laser altamente focalizzati in una camera ipervuoto (vuoto) delle dimensioni di un tostapane”, afferma il fisico Mikkel F. Andersen.
“Stiamo combinando lentamente trappole contenenti atomi per produrre interazioni controllate che misuriamo”.
In questo caso, tutti gli atomi erano varietà di rubidio che si legano per formare molecole di dirubidio, ma due atomi da soli non sono sufficienti per ottenere questo risultato.
“Due atomi non possono formare una molecola; la chimica ne richiede almeno tre”, afferma il fisico Marvin Weiland.
Modellare come ciò avvenga è una vera sfida. Chiaramente, due atomi devono avvicinarsi abbastanza da formare un legame, mentre il terzo toglie parte di quell'energia di legame per lasciarli legati.
Elaborare la matematica di come solo due atomi si incontrano per costruire una molecola è difficile. Prendere in considerazione tutte le azioni può essere un incubo.
In teoria, la ricombinazione di tre corpi tra gli atomi dovrebbe costringerli a lasciare la trappola, il che di solito aggiunge un altro problema per i fisici che cercano di studiare le interazioni tra più atomi.
Utilizzando una telecamera dedicata per osservare i cambiamenti, il team ha catturato il momento in cui le particelle di rubidio si sono avvicinate e ha scoperto che il tasso di perdita non era così alto come previsto.
In effetti, questo significa anche che le molecole non si sono assemblate così rapidamente come potrebbero spiegare i modelli esistenti.
Qualcosa sulla limitazione degli atomi e sugli effetti quantistici a corto raggio può aiutare a spiegare questa lentezza, ma il fatto che ciò sia inaspettato significa che molta fisica può essere esplorata attraverso questo processo.
“Con lo sviluppo, questa tecnica potrebbe fornire un modo per creare e controllare singole molecole di determinate sostanze chimiche”.
Ulteriori esperimenti aiuteranno a perfezionare questi modelli per spiegare meglio come i gruppi di atomi lavorano insieme per incontrarsi e legarsi in condizioni diverse.
In un mondo di tecnologia in continua evoluzione, non è difficile immaginare la necessità di processi in cui circuiti microscopici e farmaci avanzati siano costruiti atomo per atomo, un composto alla volta.
“La nostra ricerca sta cercando di aprire la strada alla capacità di costruire su scala molto piccola, vale a dire su scala atomica, e sono molto entusiasta di vedere come le nostre scoperte influenzeranno il progresso tecnologico in futuro”, afferma Andersen.
Questo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
Fonti: Foto: University of Otago
