Svelare i segreti delle collisioni molecolari a freddo
Alle alte temperature le molecole si comportano come palle da biliardo, mentre a temperature molto basse la meccanica quantistica diventa particolarmente rilevante. Ciò significa che le molecole non agiscono più come «palle da biliardo classiche», ma piuttosto come onde quantistiche. «Durante una collisione queste “onde” iniziano a interferire, dando vita a nuovi e bizzarri fenomeni di collisione molecolare che non possono verificarsi ad alte temperature», spiega Sebastiaan van de Meerakker, coordinatore del progetto FICOMOL(si apre in una nuova finestra) e ricercatore presso l’Università Radboud(si apre in una nuova finestra) nei Paesi Bassi. «Sebbene questi fenomeni siano stati previsti decenni fa, sono rimasti sfuggenti a livello sperimentale in quanto è estremamente difficile studiare le collisioni molecolari a temperature sufficientemente basse.»
Governare le collisioni molecolari grazie ai campi elettrici
Il progetto FICOMOL, sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra) (CER), si è proposto di superare questa sfida. «A tal fine abbiamo sviluppato metodi volti a raggiungere temperature fino a circa 100 millikelvin», spiega van de Meerakker. «Inoltre, abbiamo compiuto i primissimi passi per ingegnerizzare le “manopole di controllo” usando i campi elettrici al fine di guidare le collisioni molecolari.» È stato utilizzato un cosiddetto deceleratore di Stark per modificare la velocità di avanzamento delle molecole e gli esapoli curvi per modificarne il percorso, il che ha permesso al team del progetto di far interagire le molecole tra loro con una velocità relativa minima. «Poiché la temperatura è essenzialmente una misura del moto relativo delle molecole, la nostra tecnica ci ha permesso di sondare le collisioni a temperature fino a 100 millikelvin senza ricorrere all’impiego di metodi criogenici», illustra van de Meerakker. Le collisioni sono state rilevate tramite potenti laser per poi essere mappate bidimensionalmente, rivelando la velocità e la direzione del contraccolpo delle molecole in collisione.
Fenomeni di diffusione a bassa temperatura
Queste tecniche hanno consentito all’équipe del progetto di sondare e scoprire nuovi fenomeni di diffusione a bassa temperatura. «Si tratta di un lavoro puramente fondamentale; la motivazione principale è stata la curiosità scientifica», spiega van de Meerakker. «Tuttavia, potrebbero derivarne importanti applicazioni. Gli scienziati che lavorano con le molecole fredde stanno sviluppando metodi per utilizzare singole molecole in un computer quantistico, ad esempio. Una comprensione approfondita delle proprietà di collisione delle singole molecole a basse temperature è un prerequisito fondamentale». Altre applicazioni potrebbero includere l’astrochimica. «Sappiamo che la regione tra le stelle dell’universo è piena di molecole che interagiscono tra loro», osserva van de Meerakker. «Possiamo sondare la composizione chimica dello spazio interstellare usando i telescopi spaziali; per interpretare e modellare queste osservazioni, tuttavia, risulta fondamentale ancora una volta una comprensione approfondita delle proprietà di collisione delle singole molecole a basse temperature.»
Dispositivi quantistici basati su singole molecole
I futuri filoni di ricerca si concentreranno su due questioni chiave. «Abbiamo raggiunto temperature sufficientemente basse per iniziare a manipolare le collisioni con campi elettrici o magnetici esterni», spiega van de Meerakker. «Negli anni a venire, ci aspettiamo di sbloccare il pieno potenziale di questa “manopola di controllo aggiuntiva”.» In secondo luogo, van de Meerakker e i suoi colleghi intendono sviluppare nuovi metodi intesi a ridurre le temperature raggiungibili di altri due o tre ordini di grandezza, obiettivi per il cui raggiungimento è stata ottenuta una sovvenzione avanzata del CER nei prossimi cinque anni. «La speranza è di riuscire a svelare tutti i segreti delle collisioni molecolari a freddo a livello di meccanica quantistica», aggiunge van de Meerakker, che conclude: «Ciò potrebbe portare allo sviluppo di nuovi dispositivi quantistici basati su singole molecole che potrebbero giovare a una serie di settori di ricerca, dalla scienza dell’atmosfera all’astrochimica.»
