Un nuovo metodo di raffreddamento porta gli esperimenti di chimica quantistica in laboratorio
Una delle maggiori sfide per i ricercatori di scienze molecolari è l’osservazione delle reazioni chimiche a bassa temperatura. Ciò equivale a ricreare condizioni simili a quelle dello spazio interstellare, dove le reazioni avvengono a diversi Kelvin, ed è davvero essenziale descrivere i processi che avvengono all’interno di un regime quantico profondo. Tuttavia, mentre il raffreddamento laser di atomi ha già rivoluzionato la fisica atomica, il raffreddamento delle molecole si è rivelato un compito molto più complicato. Per aggirare questo problema, il progetto QuCC ha cercato nei libri di storia. In particolare, 50 anni fa, quando i chimici pionieristici Dudley Herschbach e Yuan T. Lee (entrambi ricevettero il premio Nobel nel 1986) inventarono un metodo semplice per il raffreddamento di qualsiasi gas. «Questo metodo di raffreddamento si basa su un’espansione adiabatica di gas dall’alta pressione al vuoto», spiega il dott. Ed Narevicius, coordinatore del progetto QuCC per conto del Weizmann Institute of Science. Ma c'era un problema. Durante l’espansione, il gas infatti si raffredda a temperature inferiori a 1K. Ma anche la «nuvola» di gas accelera a velocità molto elevate. Mentre due «nuvole» di gas freddo che trasportano reagenti collidono a velocità relative molto elevate, la loro collisione si traduce in temperature superiori a 300 K. «Abbiamo risolto questo problema conducendo il nostro esperimento collisionale nel quadro di riferimento mobile», afferma il dott. Narevicius. «Abbiamo unito due nuvole usando un gradiente di campo magnetico molto alto. Questo semplice passaggio ci ha permesso di ridurre l’energia di collisione di un fattore di 1 000 rispetto ai tentativi precedenti. Questo ci permette ora di eseguire abitualmente esperimenti che rivelano diversi aspetti delle proprietà dell’onda della materia nelle collisioni molecolari». Grazie a questa svolta, il team del progetto ha potuto dimostrare, a livello sperimentale, i fenomeni elusivi delle risonanze quantistiche nelle collisioni reattive a bassa energia. É emerso che, a basse energie, le particelle che attraversano una potenziale barriera energetica possono finire per restare «bloccate» l’una vicino all’altra, orbitando. «Questi stati peculiari possono essere osservati misurando la probabilità della velocità di reazione in funzione dell’energia di collisione. Ogni volta che l’energia di collisione corrispondeva alla posizione di risonanza, potevamo osservare un aumento molto forte, in alcuni casi 10 volte maggiore, della reattività. Sorprendentemente, le reazioni energetiche che erano fortemente soppresse a temperature inferiori ai Kelvin procedevano tanto velocemente quanto avrebbero fatto a temperatura ambiente», spiega il dott. Narevicius. Usando tali risonanze quantistiche come sonde altamente sensibili dell’interazione molecolare, il dott. Narevicius e il suo team hanno scoperto nuovi effetti che sono particolarmente importanti per la molecola più abbondante nello spazio interstellare: l’idrogeno. In particolare hanno dimostrato che la struttura di rotazione molecolare svolge un ruolo chiave nelle interazioni con altri oggetti. L’idrogeno molecolare nello stato rotazionale più basso si comporta come una «sfera» simmetrica, mentre l’idrogeno molecolare nello stato di rotazione eccitato assume una forma diversa e reagisce a una velocità diversa. Il team ha anche scoperto un nuovo effetto isotopico che potrebbe modificare drasticamente la velocità delle reazioni che avvengono attraverso gli effetti quantici a basse energie di collisione. Ora che il progetto è giunto al termine, il team intende concentrare la propria ricerca futura sull’ulteriore abbassamento della temperatura di 1 000 volte. In tal modo, si raggiungerebbe il regime in base al quale le molecole devono seguire la statistica di Bose o di Fermi. «Questa è una nuova frontiera della scienza molecolare, in cui molte domande rimangono aperte e sono previste molte possibili applicazioni in fisica chimica, informazione quantistica e spettroscopia di precisione», conclude il dott. Narevicius.
Parole chiave
QuCC, chimica quantistica, interstellare, bassa temperatura, scienza molecolare, regime quantistico profondo
