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    Oltre Einstein:i fisici risolvono il mistero che circonda il momento fotonico

    Una foto del microscopio a reazione COLTRIMS costruito da Alexander Hartung come parte della sua ricerca di dottorato nella sala esperimenti della Facoltà di Fisica. Credito:Alexander Hartung

    Albert Einstein ha ricevuto il Premio Nobel per aver spiegato l'effetto fotoelettrico:nella sua forma più intuitiva, un singolo atomo è irradiato dalla luce. Secondo Einstein, la luce è costituita da particelle (fotoni) che trasferiscono solo energia quantizzata all'elettrone dell'atomo. Se l'energia del fotone è sufficiente, espelle gli elettroni dall'atomo. Ma cosa succede alla quantità di moto del fotone in questo processo? I fisici della Goethe University sono ora in grado di rispondere a questa domanda. Fare così, hanno sviluppato e costruito un nuovo spettrometro con una risoluzione precedentemente irraggiungibile.

    Il dottorando Alexander Hartung è diventato padre due volte durante la costruzione dell'apparato. Il dispositivo, che è lungo tre metri e alto 2,5 metri, contiene all'incirca tante parti quanto un'automobile. Si trova nella sala degli esperimenti dell'edificio di fisica nel campus di Riedberg, circondato da un opaco, tenda nera all'interno della quale si trova un laser estremamente performante. I suoi fotoni si scontrano con i singoli atomi di argon nell'apparato, e quindi rimuovere un elettrone da ciascuno degli atomi. La quantità di moto di questi elettroni al momento della loro comparsa viene misurata con estrema precisione in un lungo tubo dell'apparato.

    Il dispositivo è un'ulteriore evoluzione del principio COLTRIMS (Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System) che è stato inventato a Francoforte e si è nel frattempo diffuso in tutto il mondo:consiste nello ionizzare singoli atomi, o rompendo molecole, e quindi determinare con precisione la quantità di moto delle particelle. Però, il trasferimento della quantità di moto del fotone agli elettroni previsto dai calcoli teorici è così piccolo che in precedenza non era possibile misurarlo. Ed è per questo che Hartung ha costruito i "super COLTRIMS".

    Quando numerosi fotoni di un impulso laser bombardano un atomo di argon, lo ionizzano. La rottura dell'atomo consuma parzialmente l'energia del fotone. L'energia rimanente viene trasferita all'elettrone rilasciato. La questione di quale partner di reazione (elettrone o nucleo dell'atomo) conservi la quantità di moto del fotone occupa i fisici da oltre 30 anni. "L'idea più semplice è questa:finché l'elettrone è attaccato al nucleo, la quantità di moto viene trasferita alla particella più pesante, cioè., il nucleo dell'atomo. Non appena si libera, il momento del fotone viene trasferito all'elettrone, " spiega il supervisore di Hartung, Professor Reinhard Dörner dell'Istituto di fisica nucleare. Questo sarebbe analogo al vento che trasferisce il suo slancio alla vela di una barca. Finché la vela è saldamente attaccata, lo slancio del vento spinge la barca in avanti. Nell'istante in cui le corde si strappano, però, la quantità di moto del vento viene trasferita alla sola vela.

    Però, la risposta che Hartung ha scoperto attraverso il suo esperimento è, come è tipico della meccanica quantistica, più sorprendente. L'elettrone non solo riceve la quantità di moto prevista, ma in più un terzo della quantità di moto del fotone che in realtà dovrebbe essere andata al nucleo dell'atomo. La vela della barca quindi "sa" dell'incidente imminente prima che le corde si strappino e rubi un po' di slancio alla barca. Per spiegare più precisamente il risultato, Hartung usa il concetto di luce come un'onda elettromagnetica:"Sappiamo che gli elettroni attraversano una piccola barriera di energia. Così facendo, vengono allontanati dal nucleo dal forte campo elettrico del laser, mentre il campo magnetico trasferisce questo momento aggiuntivo agli elettroni".

    Hartung ha utilizzato una configurazione di misurazione intelligente per l'esperimento. Per garantire che il piccolo momento aggiuntivo dell'elettrone non sia stato causato accidentalmente da un'asimmetria nell'apparato, fece in modo che l'impulso laser colpisse il gas da due lati:o da destra o da sinistra, e poi da entrambe le direzioni contemporaneamente, che è stata la sfida più grande per la tecnica di misurazione. Questo nuovo metodo di misurazione di precisione promette una comprensione più profonda del ruolo precedentemente inesplorato dei componenti magnetici della luce laser nella fisica atomica.

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