Verso una descrizione quantistica accurata della dinamica molecolare
I protoni presenti negli atomi e nelle molecole sono circa 1 800 volte più pesanti dei veloci elettroni. Ecco perché, nella maggior parte dei casi, gli scienziati suppongono che i nuclei si muovano così lentamente da far rimanere gli elettroni nel loro stato fondamentale per un dato insieme di posizioni dei nuclei. La cosiddetta approssimazione di Born-Oppenheimer è stata ampiamente utilizzata nelle simulazioni di meccanica quantistica dei sistemi molecolari complessi. In alcuni casi, tuttavia, l’approssimazione di Born-Oppenheimer non è applicabile. Per esempio, quando un atomo si muove all’indietro e in avanti in un metallo, interagisce con altri elettroni e perde parte della sua energia in relazione al gas di elettroni. Le forze di trascinamento esercitate dal gas di elettroni sull’atomo che vibra sono di tipo non conservativo e lo smorzamento delle vibrazioni non può essere descritto dall’approssimazione di Born-Oppenheimer. Nell’ambito del progetto XBEBOA (Extreme ultraviolet and X-ray spectroscopy to understand dynamics beyond the Born Oppenheimer approximation), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno guardato oltre l’approssimazione di Born-Oppenheimer. Il team ha sviluppato strumenti avanzati facendo uso di nuovi impulsi di luce a fetmosecondi per lo studio di complessi metallo-organici. In particolare, gli scienziati XBEBOA hanno sfruttato la generazione di armoniche ad alta frequenza, una tecnica per la produzione di luce XUV coerente in termini di tempo e spazio, così come di impulsi di luce brevi quanto centinaia di femtosecondi. Il set-up sperimentale sviluppato consiste di spettrometri fotoelettronici e fotoionici a risoluzione temporale per lo studio riguardante soluzioni di gas e liquidi. Nei primi esperimenti sulla transizione di fase metallo-isolante relativa a campioni di biossido di vanadio, è stato possibile distinguere in modo chiaro le firme spettrali dei processi elettronici e nucleari. La differenziazione di luce XUV presente nelle vicinanze degli elettroni eccitati relativi ai campioni sonda a basse energie fotoniche costituiva un’importante sfida per la spettroscopia ultraveloce, prima del progetto XBEBOA. Inoltre, il team è stato in grado di creare le condizioni che consentono, a ogni atomo in una molecola di buckminsterfullerene (C60), di assorbire più fotoni durante gli impulsi a raggi X dalla durata di femtosecondi. A questo scopo, hanno impiegato il laser a elettroni liberi di una sorgente di luce coerente con acceleratore lineare. Sono necessarie condizioni simili per l’immaginografia di proteine e virus, per quanto riguarda lo studio di campioni biomolecolari. Gli scienziati XBEBOA sperano di utilizzare il set-up sperimentale anche dopo il termine del progetto al fine di calcolare le proprietà di solidi, liquidi e gas, evitando le approssimazioni grezze ottenute in passato per descrivere il loro comportamento meccanico quantistico.
