Una rappresentazione schematica del set-up sperimentale per la spettroscopia del photon-recoil. Uno ione ausiliario di magnesio (o ione logico, blu) è stato catturato in una trappola ionica insieme con lo ione da indagare, quello di calcio (o ione da spettroscopia, rosso). È stato impiegato un particolare sistema di raffreddamento: raffreddando lo ione logico si è raffreddato anche lo ione da analizzare, perché sono estremamente legati. Successivamente, con impulsi laser, lo ione rosso viene eccitato ed entrambi gli ioni cominciano ad oscillare: questo movimento rappresenta il segnale della spettroscopia e può essere visualizzato mediante lo ione logico, che diventa scuro in caso di movimento. Crediti: PTB
Si apre una nuova finestra sulla spettroscopia di precisione degli ioni atomici e molecolari. Un gruppo di ricerca guidato da Piet Schmidt del QUEST (il centro di ricerca Quantum Engineering and Space-Time), ha sviluppato un metodo innovativo che va oltre la tecnica della spettroscopia logica quantistica elaborata del premio Nobel David J. Wineland (con la quale è stata migliorata la realizzazione degli orologi atomici, per esempio). Il gruppo di scienziati, di base al Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) di Berlino con i colleghi dell’Università Leibniz di Hannover, ha scoperto il metodo chiamato photon-recoil spectroscopy (PRS), ossia una tecnica che permetterà agli scienziati di studiare quando la quantità di moto (momentum – in fisica quantistica) della particella interagente viene trasferita allo ione studiato. La tecnica si estende a una notevole gamma di applicazioni. Insieme alla maggiore sensibilità, questo apre nuove possibilità nella spettroscopia di precisione di ioni molecolari e metallici che si trovano nello spazio e che vengono spesso utilizzati come riferimento dagli astronomi.
La nuova tecnica sviluppata dai ricercatori permette la ricerca di transizioni molto veloci in atomi o molecole. I risultati sono stati pubblicati sull’ultimo numero di Nature Communication. Le indagini spettroscopiche saranno possibili su quasi ogni tipo di particelle. L’unica condizione è che assorbano pochi fotoni di un raggio laser. Il gruppo di ricerca ha potuto effettuare misurazioni di frequenza estremamente accurate e ha potuto studiare con più precisione la costante di struttura fine, indicata con la lettera greca alpha, che è un parametro fondamentale che caratterizza l’intensità della radiazione elettromagnetica e da cui dipendono i rapporti tra le forze fondamentali, anche nell’Universo. Il nuovo metodo è una novità importante per gli astronomi che, per esempio, confrontano la luce antica dei quasar con la “nuova” luce al fine di rilevare eventuali variazioni nella costante di struttura fine. Questi scienziati non indagano la luce in sé, ma gli spettri caratteristici degli elementi che sono attraversati dalla luce. Queste ed ulteriori indagini astronomiche saranno più accurate grazie alle misurazioni di Schmidt.
Piet Schmidt è un ex collega di David Wineland, ha lavorato nel gruppo di ricerca del premio Nobel per qualche tempo presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) (omologo del PTB negli USA) ed è stato coinvolto nello sviluppo della spettroscopia logica quantistica (QLS). All’epoca, però, il confronto degli spettri astronomici con gli spettri di laboratorio avevano già indicato che la costante di struttura fine poteva essere cambiata, ma il significato di queste misurazioni era, tuttavia, limitato in quanto gli spettri da laboratorio degli ioni metallici non erano sufficientemente noti. Il team di Schmidt, invece, ha tentato ora di misurare con grande precisione il comportamento degli ioni metallici con questa nuova tecnica. Cosa hanno pensato? Il concetto è relativamente “semplice”: catturare lo ione, che si vuole indagare, in una trappola con uno ione ausiliario (ione logico), a cui è legato. Gli esperimenti, come si vede nell’immagine sopra, sono stati condotti “legando” due ioni, uno di calcio e uno di magnesio. Ovviamente i due ioni si respingono a causa della loro carica elettrica, ma vengono tenuti insieme dalla cosiddetta “trappola ionica” e sono quindi costretti rimanere legati, proprio come una coppia di gemelli. A cosa serve questa tecnica? I ricercatori sfruttano questa trappola per ottenere informazioni sullo ione che vogliono studiare (nel loro esperimento è stato lo ione di calcio) osservando il comportamento del secondo ione più facilmente controllabile (lo ione ausiliario o logico, nel loro caso, quello di magnesio). È stato impiegato, poi, un particolare sistema di raffreddamento: raffreddando lo ione logico si è raffreddato anche lo ione da analizzare, perché sono estremamente legati. Successivamente, con impulsi laser, lo ione rosso viene eccitato ed entrambi gli ioni cominciano ad oscillare: questo movimento rappresenta il segnale della spettroscopia e può essere visualizzato mediante lo ione logico, che diventa scuro in caso di movimento. Lo ione viene eccitato ciclicamente dal laser esterno e a ogni ciclo un fotone si aggiunge al modo della cavità che amplifica la luce.
Yong Wan, il primo autore della ricerca, spiega il metodo con un paragone molto semplice: “Provate a immaginare un bambino seduto su un altalena ferma. All’improvviso cominciate a lanciare una palla al bambino, continuando ad aumentare il numero dei lanci simultaneamente con i movimenti dell’altalena, che si muove sempre più veloce. L’altalena è eccitata con oscillazioni molto forti. Questo è esattamente lo stesso fenomeno che avviene con impulsi di luce laser quando li indirizziamo verso la coppia ionica: se hanno la frequenza adatta, i fotoni vengono assorbiti e lo ione da indagare oscilla a causa del “rinculo”. Poiché è fortemente legato allo ione ausiliario, anche quest’ultimo oscilla simultaneamente”. “Pensiamo – ha aggiunto – che lo ione logico ci permette di rilevare l’oscillazione dello ione da indagare in maniera molto efficiente, poiché possiamo controllare il primo e osservarlo, cosa che non si può fare con lo ione di calcio”.
Si tratta di un metodo molto più preciso e sensibile dei precedenti: prima si cercava di rilevare i singoli fotoni, cosa che spesso era impossibile. “In precedenza – ha detto Florian Gebert – migliaia di fotoni dovevano essere dispersi dallo ione per ottenere un segnale significativo. Il nostro metodo, invece, richiede soltanto dieci fotoni per dare lo stesso risultato”. Wan e i suoi colleghi hanno misurato la frequenza di transizione nello ione di calcio con un’accuratezza di 88 kHz. Precedenti misurazioni sono state meno precise. Una caratteristica che rende speciale e unica questa tecnica è la flessibilità: “Basta cambiare lo ione da analizzare e sintonizzare il laser per poter indagare altre specie ioniche. Lo ione ausiliario e il set-up del laser rimangono invariati “, ha spiegato Schmidt. Il suo obiettivo è di effettuare misurazioni di frequenza assolute di molti ioni differenti con la massima precisione possibile. A differenza della spettroscopia logica quantistica, il nuovo metodo consente lo studio di ioni che rimangono nel loro stato eccitato anche solo per pochi micro o nano secondi. Questo estende notevolmente la gamma di applicazioni accessibili, dalla chimica all’astronomia.
Per saperne di più:
Leggi lo studio “Precision spectroscopy by photon-recoil signal amplification”, di Yong Wan, Florian Gebert, Jannes B Wübbena, Nils Scharnhorst, Sana Amairi, Ian D Leroux, Börge Hemmerling, Niels Lörch, Klemens Hammerer e Piet O Schmidt