Una bella e sorprendente applicazione che vi fa viaggiare dall’atomo di idrogeno (0.0000000000000017 metri o 1.7 x 10-15) fino alle dimensioni dell’intero universo osservabile (880,000,000,000,000,000,000,000,000 metri o 8.8 x 1026).
L’originale è qui, dove potete anche scaricare un poster.
Prima Storica Foto della Struttura di un Atomo di Idrogeno!
Immagine dell'orbita di un elettrone in un atomo di idrogeno. Credit: Aneta Stodolna /AMOLF
Grandissima storica impresa da parte di un team internazionale di ricercatori che è riuscito a fotografare direttamente la struttura orbitale di un atomo di idrogeno eccitato. L'osservazione è stata usando un nuovissimo "microscopio quantistico" che fa uso dei principi della microscopia fotoionizzante per visualizzare direttamente strutture a livello atomico. Il team ha dimostrato che la tecnica, che fu proposta in via puramente ipotetica più di 30 anni fa, può davvero essere sperimentalmente usata e può diventare uno strumento utile per il futuro degli studi sulla meccanica quantistica.
Ma prima di parlare della foto in se, bisogna parlare un po' di quantistica. Uno dei principi centrali dell'intera teoria quantistica è la funzione d'onda! Per dirla in parole semplici, è la proprietà che da se contiene il numero maggiore di informazioni disponibili riguardo allo stato di un sistema quantistico. Più in particolare, la funzione d'onda è la soluzione alla famosa equazione di Schrodinger! Il quadrato della funzione d'onda descrive la probabilità di dove potrebbe trovarsi una particella in un dato momento. Anche se è un pilastro della quantistica ed è stata più volte dimostrata, è sempre stato estremamente complicato riuscire a misurare direttamente o osservare gli effetti della funzione d'onda, dato che l'osservazione diretta distrugge la funzione d'onda prima ancora che possa essere pienamente osservata.
In passato, gli esperimenti che si basavano su quelli che venivano chiamati "pacchetti d'onda Rydberg", avevano provato ad osservare la funzione d'onda usando impulsi laser ultraveloci. In questi esperimenti, gli atomi sono in sovrapposizione nei loro "stati di Rydberg" molto eccitati. Questi esperimenti mostrano che le orbite elettroniche periodiche presenti intorno ai nuclei, sono descritte da sovrapposizioni coerenti dei loro stati quantum-meccanici stazionari. La funzione d'onda di ognuno di questi stati è un'onda con un pattern notale (un nodo è dove c'è zero probabilità di trovare un elettrone), che riflette i numeri quantistici di stato. Mentre precedenti esperimenti avevano tentato di catturare la funzione d'onda dei pattern nodali, i metodi usati non sono mai arrivati con successo fino in fondo. L'osservazione diretta della struttura nodale di un singolo atomo è sempre rimasta un'impresa tremendamente ardua.
Nel suo nuovo lavoro, Aneta Stodolna, dell'Istituto FOM per la Fisica Atomica e Molecolare, in Olanda, insieme a a Marc Vrakking del Max Born Institute, di Berlino, Germania, e tanti altri colleghi sparsi per tutta l'Europa e USA, mostra che la microscopia fotoionizzante può ottenere immagini dirette della struttura nodale dell'orbita di un elettrone in un atomo di idrogeno, all'interno di un campo elettrico E, eccitato da impulsi laser. L'elettrone ionizzato scappa dall'atomo e segue una particolare traiettoria verso il rilevatore che si trova perpendicolare al campo stesso. Dato che ci sono molte simili traiettorie che possono arrivare allo stesso punto sul rilevatore, possono essere osservati vari pattern di interfaccia, che poi il team ingrandisce di un fattore maggiore di 20.000 grazie ad una lente di zoom elettrostatico. Il pattern di interfaccia riflette direttamente la struttura nodale della funzione d'onda. Gli esperimenti sono stati portati avanti sia con un'ionizzazione risonante che prevede stati di Rydberg, sia con ionizzazione non risonante.
Ma perché proprio l'idrogeno? Il team spiega di aver scelto l'atomo di idrogeno per via delle sue proprietà uniche. "Questi atomi di idrogeno sono molto peculiari, dato che l'idrogeno ha un solo elettrone, che interagisce con il nucleo attraverso semplicemente l'interazione di Coulomb ed ha quindi una struttura particolare quando lo inseriamo nel campo elettrico DC." ha spiegato Vrakking, che poi aggiunge che grazie al suo status di atomo con un singolo elettrone, l'idrogeno ha una funzione d'onda che può essere scritta come il prodotto di due funzioni d'onda, che descrivono come cambia come funzione di due coordinate, cioè le due così dette coordinate paraboliche.
Esempio di quattro stati atomici dell'idrogeno. La riga in mezzo è quella ottenuta con le nuove misurazioni sperimentali. A destra ci sono le equazioni di Schrodinger in base al tempo, mentre a sinistra ci sono le osservazioni con il precedente metodo non-ionizzante. Le equazioni sono perfettamente compatibili con le osservazioni
Vrakking ha spiegato che la forma delle due funzioni d'onda paraboliche è quindi "completamente indipendente dalla forza del campo, e quindi è invariabile. Rimane uguale mentre l'elettrone viaggia per più di mezzo metro nell'esperimento, da dove avviene l'ionizzazione, fino al rilevatore 2D" Questo, spiega il fisico, è cruciale per ingrandire la distribuzione spaziale e zoomare sui pattern nodali, facendoli arrivare su scala millimetrica, dove possono essere osservati anche ad occhio nudo nel rilevatore 2D e registrati con un sistema di ripresa fotografica.
"Cosa si vede nel rilevatore è quello che esiste nell'atomo" ha spiegato il ricercatore, che ha lavorato a svariate centinaia di eventi di ionizzazione per ottenere i risultati, con la stessa preparazione di lunghezza d'onda per ognuno.
La figura che vedete in apertura nell'articolo è il risultato principale del team: i dati della camera riguardo a 4 esperimenti, in cui gli atomi di idrogeno erano eccitati fino a stati con zero, uno, due o tre nodi nella funzione d'onda per una delle coordinate paraboliche. "Se si guarda con attenzione alle proiezioni misurate sul rilevatore, si possono facilmente riconoscere i nodi, e vedere la loro struttura radiale, ad anello." ha spiegato Vrakking.
Slide di presentazione del metodo usato per ottenere l'immagine dell'idrogeno
Il ricercatore ha anche fatto notare le grandissime differenze che ci sono tra le immagini ottenute seguendo l'eccitazione risonante e le immagini ottenute con l'eccitazione non risonante, come nell'immagine in apertura. Nel caso della risonanza ionizzante, l'anello esterno si estende significativamente di più rispetto alle altre immagini e questo potrebbe essere spiegato grazie a particolari effetti tunnel che possono avere luogo.
L'obbiettivo ultimo del team era studiare e visualizzare un atomo di idrogeno. Ulteriori esperimenti potrebbero cercare a di vedere come l'atomo reagisce all'interno di un campo magnetico, per vedere come cambia la sua struttura o studiare come cambia la dinamica del'elettrone nel tempo, o investigare la microscopia ad interferenza olografica, e forse anche osservare intere molecole usando la tecnica della microscopia fotoionizzante.
Attualmente però, i ricercatori stanno studiando ed analizzando un atomo di elio usando la microscopia fotoionizzante, e la pubblicazione dovrebbe arrivare nei prossimi mesi. "Dato che ci sono due elettroni in un atomo di elio, avremmo tante nuove informazioni molto interessanti." ha spiegato Vrakking. Ci si aspetta che la struttura di base sia simile a quella dell'idrogeno, ma con alcune grandi differenze. "Anche se uno degli elettroni dell'elio è molto legato strettamente al nucleo, e un'altro è molto eccitabile, possiamo vedere che gli elettroni "sanno comunque dell'esistenza l'uno dell'altro" e possono "essere in collegamento", spiega Vrakking, spiegando che queste osservazioni potrebbero in futuro permettere di osservare l'entanglement tra elettroni.
http://physics.aps.org/articles/v6/58
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/may/23/quantum-microscope-peers-into-the-hydrogen-atom
L’originale è qui, dove potete anche scaricare un poster.
Prima Storica Foto della Struttura di un Atomo di Idrogeno!
Immagine dell'orbita di un elettrone in un atomo di idrogeno. Credit: Aneta Stodolna /AMOLF
Grandissima storica impresa da parte di un team internazionale di ricercatori che è riuscito a fotografare direttamente la struttura orbitale di un atomo di idrogeno eccitato. L'osservazione è stata usando un nuovissimo "microscopio quantistico" che fa uso dei principi della microscopia fotoionizzante per visualizzare direttamente strutture a livello atomico. Il team ha dimostrato che la tecnica, che fu proposta in via puramente ipotetica più di 30 anni fa, può davvero essere sperimentalmente usata e può diventare uno strumento utile per il futuro degli studi sulla meccanica quantistica.
Ma prima di parlare della foto in se, bisogna parlare un po' di quantistica. Uno dei principi centrali dell'intera teoria quantistica è la funzione d'onda! Per dirla in parole semplici, è la proprietà che da se contiene il numero maggiore di informazioni disponibili riguardo allo stato di un sistema quantistico. Più in particolare, la funzione d'onda è la soluzione alla famosa equazione di Schrodinger! Il quadrato della funzione d'onda descrive la probabilità di dove potrebbe trovarsi una particella in un dato momento. Anche se è un pilastro della quantistica ed è stata più volte dimostrata, è sempre stato estremamente complicato riuscire a misurare direttamente o osservare gli effetti della funzione d'onda, dato che l'osservazione diretta distrugge la funzione d'onda prima ancora che possa essere pienamente osservata.
In passato, gli esperimenti che si basavano su quelli che venivano chiamati "pacchetti d'onda Rydberg", avevano provato ad osservare la funzione d'onda usando impulsi laser ultraveloci. In questi esperimenti, gli atomi sono in sovrapposizione nei loro "stati di Rydberg" molto eccitati. Questi esperimenti mostrano che le orbite elettroniche periodiche presenti intorno ai nuclei, sono descritte da sovrapposizioni coerenti dei loro stati quantum-meccanici stazionari. La funzione d'onda di ognuno di questi stati è un'onda con un pattern notale (un nodo è dove c'è zero probabilità di trovare un elettrone), che riflette i numeri quantistici di stato. Mentre precedenti esperimenti avevano tentato di catturare la funzione d'onda dei pattern nodali, i metodi usati non sono mai arrivati con successo fino in fondo. L'osservazione diretta della struttura nodale di un singolo atomo è sempre rimasta un'impresa tremendamente ardua.
Nel suo nuovo lavoro, Aneta Stodolna, dell'Istituto FOM per la Fisica Atomica e Molecolare, in Olanda, insieme a a Marc Vrakking del Max Born Institute, di Berlino, Germania, e tanti altri colleghi sparsi per tutta l'Europa e USA, mostra che la microscopia fotoionizzante può ottenere immagini dirette della struttura nodale dell'orbita di un elettrone in un atomo di idrogeno, all'interno di un campo elettrico E, eccitato da impulsi laser. L'elettrone ionizzato scappa dall'atomo e segue una particolare traiettoria verso il rilevatore che si trova perpendicolare al campo stesso. Dato che ci sono molte simili traiettorie che possono arrivare allo stesso punto sul rilevatore, possono essere osservati vari pattern di interfaccia, che poi il team ingrandisce di un fattore maggiore di 20.000 grazie ad una lente di zoom elettrostatico. Il pattern di interfaccia riflette direttamente la struttura nodale della funzione d'onda. Gli esperimenti sono stati portati avanti sia con un'ionizzazione risonante che prevede stati di Rydberg, sia con ionizzazione non risonante.
Ma perché proprio l'idrogeno? Il team spiega di aver scelto l'atomo di idrogeno per via delle sue proprietà uniche. "Questi atomi di idrogeno sono molto peculiari, dato che l'idrogeno ha un solo elettrone, che interagisce con il nucleo attraverso semplicemente l'interazione di Coulomb ed ha quindi una struttura particolare quando lo inseriamo nel campo elettrico DC." ha spiegato Vrakking, che poi aggiunge che grazie al suo status di atomo con un singolo elettrone, l'idrogeno ha una funzione d'onda che può essere scritta come il prodotto di due funzioni d'onda, che descrivono come cambia come funzione di due coordinate, cioè le due così dette coordinate paraboliche.
Esempio di quattro stati atomici dell'idrogeno. La riga in mezzo è quella ottenuta con le nuove misurazioni sperimentali. A destra ci sono le equazioni di Schrodinger in base al tempo, mentre a sinistra ci sono le osservazioni con il precedente metodo non-ionizzante. Le equazioni sono perfettamente compatibili con le osservazioni
Vrakking ha spiegato che la forma delle due funzioni d'onda paraboliche è quindi "completamente indipendente dalla forza del campo, e quindi è invariabile. Rimane uguale mentre l'elettrone viaggia per più di mezzo metro nell'esperimento, da dove avviene l'ionizzazione, fino al rilevatore 2D" Questo, spiega il fisico, è cruciale per ingrandire la distribuzione spaziale e zoomare sui pattern nodali, facendoli arrivare su scala millimetrica, dove possono essere osservati anche ad occhio nudo nel rilevatore 2D e registrati con un sistema di ripresa fotografica.
"Cosa si vede nel rilevatore è quello che esiste nell'atomo" ha spiegato il ricercatore, che ha lavorato a svariate centinaia di eventi di ionizzazione per ottenere i risultati, con la stessa preparazione di lunghezza d'onda per ognuno.
La figura che vedete in apertura nell'articolo è il risultato principale del team: i dati della camera riguardo a 4 esperimenti, in cui gli atomi di idrogeno erano eccitati fino a stati con zero, uno, due o tre nodi nella funzione d'onda per una delle coordinate paraboliche. "Se si guarda con attenzione alle proiezioni misurate sul rilevatore, si possono facilmente riconoscere i nodi, e vedere la loro struttura radiale, ad anello." ha spiegato Vrakking.
Slide di presentazione del metodo usato per ottenere l'immagine dell'idrogeno
Il ricercatore ha anche fatto notare le grandissime differenze che ci sono tra le immagini ottenute seguendo l'eccitazione risonante e le immagini ottenute con l'eccitazione non risonante, come nell'immagine in apertura. Nel caso della risonanza ionizzante, l'anello esterno si estende significativamente di più rispetto alle altre immagini e questo potrebbe essere spiegato grazie a particolari effetti tunnel che possono avere luogo.
L'obbiettivo ultimo del team era studiare e visualizzare un atomo di idrogeno. Ulteriori esperimenti potrebbero cercare a di vedere come l'atomo reagisce all'interno di un campo magnetico, per vedere come cambia la sua struttura o studiare come cambia la dinamica del'elettrone nel tempo, o investigare la microscopia ad interferenza olografica, e forse anche osservare intere molecole usando la tecnica della microscopia fotoionizzante.
Attualmente però, i ricercatori stanno studiando ed analizzando un atomo di elio usando la microscopia fotoionizzante, e la pubblicazione dovrebbe arrivare nei prossimi mesi. "Dato che ci sono due elettroni in un atomo di elio, avremmo tante nuove informazioni molto interessanti." ha spiegato Vrakking. Ci si aspetta che la struttura di base sia simile a quella dell'idrogeno, ma con alcune grandi differenze. "Anche se uno degli elettroni dell'elio è molto legato strettamente al nucleo, e un'altro è molto eccitabile, possiamo vedere che gli elettroni "sanno comunque dell'esistenza l'uno dell'altro" e possono "essere in collegamento", spiega Vrakking, spiegando che queste osservazioni potrebbero in futuro permettere di osservare l'entanglement tra elettroni.
http://physics.aps.org/articles/v6/58
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/may/23/quantum-microscope-peers-into-the-hydrogen-atom
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