Immagine del quadrato della funzione d'onda di una molecola di idrogeno con due elettroni. Credito:Waitz et al. Pubblicato in Comunicazioni sulla natura
Per la prima volta, i fisici hanno sviluppato un metodo per visualizzare visivamente l'entanglement tra gli elettroni. Poiché queste correlazioni giocano un ruolo di primo piano nel determinare la funzione d'onda di una molecola, che descrive lo stato quantico della molecola, i ricercatori hanno quindi utilizzato il nuovo metodo per produrre le prime immagini del quadrato della funzione d'onda a due elettroni di un idrogeno (H 2 ) molecola.
Sebbene esistano già numerose tecniche per l'imaging dei singoli elettroni di atomi e molecole, questo è il primo metodo in grado di visualizzare direttamente le correlazioni tra gli elettroni e consentire ai ricercatori di esplorare come le proprietà degli elettroni dipendono l'una dall'altra.
I ricercatori, M. Waitz et al., da vari istituti in Germania, Spagna, gli Stati Uniti, Russia, e Australia, hanno pubblicato un articolo sul nuovo metodo di imaging in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .
"Esistono altri metodi che consentono di ricostruire correlazioni da diverse osservazioni; tuttavia, Che io sappia, questa è la prima volta che si ottiene un diretto immagine delle correlazioni semplicemente guardando uno spettro, " ha detto il coautore Fernando Martín dell'Universidad Autónoma de Madrid Phys.org . "Gli spettri registrati sono identici alle trasformate di Fourier dei diversi pezzi del quadrato della funzione d'onda (o equivalentemente, alla rappresentazione dei diversi pezzi della funzione d'onda nello spazio del momento). Non è necessaria alcuna ricostruzione, filtraggio o trasformazione:lo spettro riflette direttamente parti della funzione d'onda nello spazio del momento".
Il nuovo metodo prevede la combinazione di due metodi di imaging già ampiamente utilizzati:l'imaging fotoelettronico e il rilevamento coincidente dei frammenti di reazione. I ricercatori hanno impiegato contemporaneamente entrambi i metodi utilizzando il primo metodo su un elettrone per proiettare quell'elettrone su un rivelatore, e utilizzando il secondo metodo sull'altro elettrone per determinare come le sue proprietà cambiano in risposta.
L'uso simultaneo di entrambi i metodi rivela come i due elettroni sono correlati e produce un'immagine del quadrato dell'H 2 funzione d'onda correlata a due elettroni. I fisici sottolineano un punto importante:che queste sono immagini del quadrato della funzione d'onda, e non la funzione d'onda stessa.
"La funzione d'onda non è osservabile nella fisica quantistica, quindi non si può osservare, " Martín ha detto. "Solo il quadrato della funzione d'onda è un osservabile (se hai gli strumenti per farlo). Questo è uno dei principi fondamentali della fisica quantistica. Coloro che affermano di poter osservare la funzione d'onda non usano il linguaggio proprio perché ciò non è possibile:quello che fanno è ricostruirla a partire da alcuni spettri misurati facendo delle approssimazioni. Non può mai essere un'osservazione diretta."
I ricercatori si aspettano che il nuovo approccio possa essere utilizzato anche per l'immagine di molecole con più di due elettroni, rilevando i frammenti di reazione di più elettroni. Il metodo potrebbe anche portare alla capacità di visualizzare le correlazioni tra le funzioni d'onda di più molecole.
"Ovviamente, il passo naturale da seguire è provare un metodo simile in molecole più complicate, " Martín ha detto. "Molto probabilmente, il metodo funzionerà per piccole molecole, ma non è chiaro se funzionerà in molecole molto complesse. Non a causa di limitazioni nell'idea di base, ma principalmente a causa dei limiti sperimentali, poiché gli esperimenti di coincidenza in molecole complesse sono molto più difficili da analizzare a causa dei molti gradi di libertà nucleari".
La capacità di visualizzare le correlazioni elettrone-elettrone e le corrispondenti funzioni d'onda molecolari ha implicazioni di vasta portata per la comprensione delle proprietà di base della materia. Ad esempio, uno dei metodi più comunemente usati per approssimare una funzione d'onda, chiamato il metodo di Hartree-Fock, non tiene conto delle correlazioni elettrone-elettrone e, di conseguenza, spesso non è d'accordo con le osservazioni.
Inoltre, le correlazioni elettrone-elettrone sono al centro di affascinanti effetti quantistici, come la superconduttività (quando la resistenza elettrica scende a zero a temperature molto basse) e la magnetoresistenza gigante (quando la resistenza elettrica diminuisce notevolmente a causa dell'allineamento parallelo della magnetizzazione degli strati magnetici vicini). Le correlazioni elettroniche svolgono anche un ruolo nell'emissione simultanea di due elettroni da una molecola che ha assorbito un singolo fotone, un fenomeno chiamato "doppia ionizzazione a singolo fotone".
E infine, i risultati possono portare anche ad applicazioni pratiche, come la capacità di realizzare immagini di correlazione con laser a elettroni di campo e con sorgenti di raggi X basate su laser.
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