Imaging del moto quantistico degli elettroni usando la luce

Per decenni i fisici hanno studiato il modo in cui un elettrone dovrebbe legarsi a un protone, il sistema atomico più semplice. Gli affascinanti modelli di orbitali dell'idrogeno che si formano a diversi livelli di energia sono oggetti statici, calcolati da modelli computerizzati dettagliati. Sono istantanee di atomi di idrogeno congelati nel tempo.

Ma i modelli informatici più avanzati possono anche calcolare come appaiono gli atomi di idrogeno mentre passano da uno stato all'altro, come cambiano forma gli orbitali, come si combinano e si sovrappongono. I risultati sono video di orbitali dell'idrogeno in movimento quantistico.

Ma tutto questo è solo teoria. Nessuno sa che aspetto abbiano gli atomi di idrogeno in pratica perché è impossibile fotografare gli elettroni con la luce, figuriamoci filmarli in azione. Destra?

Non proprio. Negli ultimi anni, i fisici hanno imparato a generare impulsi di luce sufficientemente piccoli e corti da distruggere la struttura di un atomo di idrogeno. Questi impulsi sono costituiti da raggi X in pacchetti di poche lunghezze d'onda.

Nei prossimi anni, questa tecnica dovrebbe essere in grado di realizzare filmati con una risoluzione di circa un angstrom e un frame rate di un'immagine per femtosecondo. È più che sufficiente per mostrare il movimento degli orbitali dell'idrogeno.

Quindi come saranno queste mosse? I fisici hanno tecniche standard per calcolare il modo in cui i raggi X disperdono gli atomi. L'idea qui è che preparano un insieme di atomi di idrogeno in uno stato specifico, o una combinazione di stati, usando un impulso laser convenzionale.

Poco tempo dopo, fulminano gli atomi con pacchetti di raggi X e misurano come sono dispersi. Questo dà un'istantanea dell'atomo di idrogeno in quell'istante.

Per creare un filmato, prendono un'altra immagine, ma questa volta lasciano un po' di tempo in più tra l'impulso di preparazione e l'impulso di imaging. E così via. Questo produce un film del movimento quantistico degli elettroni in orbita attorno a un protone.

Il problema, ovviamente, è che un pacchetto di raggi X cambia inevitabilmente gli orbitali degli elettroni, distorcendo la forma dell'atomo di idrogeno mentre viene ripreso. È questa distorsione che rende l'imaging quantistico così problematico.

In effetti, è così complesso che i fisici l'hanno semplicemente ignorato; o almeno si persuasero che fosse trascurabile. Gli unici calcoli che hanno mai fatto per modellare il movimento quantistico degli elettroni presuppongono che i raggi X non cambino in alcun modo il comportamento degli elettroni.

Oggi le cose cambiano grazie al lavoro di Gopal Dixit presso il Center for Free-Electron Laser Science al DESY di Amburgo e un paio di amici.

Questi ragazzi hanno scoperto come i raggi X dovrebbero influenzare la forma di un atomo di idrogeno e hanno calcolato come sarebbe un video del risultante movimento quantistico degli elettroni.

La figura sopra mostra i risultati come una serie di frame. La riga centrale mostra il modo in cui cambiano gli orbitali degli elettroni quando si trovano in una sovrapposizione di orbitali 3d e 4f. La riga in basso mostra la previsione secondo l'approccio esistente, ed è anche piuttosto poco interessante.

La riga in alto, d'altra parte, mostra come apparirebbero le immagini supponendo che i raggi X distorcano gli orbitali. Mostrano chiaramente il tipo di asimmetria che introdurrebbe l'imaging a raggi X, qualcosa che l'approccio esistente semplicemente non consente.

Questo è importante perché questo tipo di video dovrebbe essere possibile realizzare nei prossimi mesi e anni. Saper interpretarli sarà fondamentale.

E gli atomi di idrogeno saranno solo l'inizio. Non passerà molto tempo prima che avremo video del movimento quantistico degli elettroni in molecole più complesse, forse anche nelle biomolecole stesse. Quando ciò accadrà, osserveremo il movimento quantistico della vita stessa.

Rif: arxiv.org/abs/1207.4565 : Imaging elettronico del movimento quantistico con la luce

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