Nell'esperimento della doppia fenditura, una particella viaggia contemporaneamente su due percorsi diversi. Qualcosa di simile si può osservare quando un atomo di elio viene ionizzato con un raggio laser. La ionizzazione dell'elio può avvenire attraverso due diversi processi, e questo porta a caratteristici effetti di interferenza. Un team di scienziati è ora riuscito a osservare l'accumulo di questi effetti, anche se questo effetto si verifica su una scala temporale di femtosecondi.

È sicuramente l'esperimento più famoso della fisica quantistica:nell'esperimento della doppia fenditura, una particella viene sparata su una piastra con due fenditure parallele, quindi ci sono due diversi percorsi su cui la particella può raggiungere il rivelatore dall'altra parte. Per le sue proprietà quantistiche, la particella non deve scegliere tra queste due possibilità, può passare attraverso entrambe le fessure contemporaneamente. Qualcosa di molto simile si può osservare quando un atomo di elio viene ionizzato con un raggio laser.

Proprio come i due percorsi attraverso il piatto, la ionizzazione dell'elio può avvenire attraverso due diversi processi contemporaneamente, e questo porta a caratteristici effetti di interferenza. Nel caso dell'atomo di elio, sono chiamate "risonanze di Fano". Un team di scienziati della TU Wien (Vienna, Austria), il Max-Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg (Germania) e la Kansas State University (USA) sono ora riusciti a osservare l'accumulo di queste risonanze di Fano, anche se questo effetto avviene su una scala temporale di femtosecondi.

L'esperimento è stato condotto a Heidelberg, la proposta originale per un tale esperimento e le simulazioni al computer sono state sviluppate dal team di Vienna, ulteriori calcoli teorici provenivano dalla Kansas State University.

Percorso diretto e indiretto

Quando un impulso laser trasferisce energia sufficiente a uno degli elettroni nell'atomo di elio, l'elettrone viene strappato immediatamente dall'atomo.

C'è, però, un altro modo per ionizzare l'atomo di elio, che è un po' più complesso, come spiega il professor Joachim Burgdörfer (TU Wien):"Se all'inizio il laser solleva entrambi gli elettroni a uno stato di energia più elevata, uno degli elettroni può tornare nello stato di energia inferiore. Parte dell'energia di questo elettrone viene trasferita al secondo elettrone, che può poi lasciare l'atomo di elio."

Il risultato di questi due processi è esattamente lo stesso:entrambi trasformano l'atomo di elio neutro in uno ione con un elettrone rimanente. Da questa prospettiva, sono fondamentalmente indistinguibili.

Risonanze Fano

"Secondo le leggi della fisica quantistica, ogni atomo può subire entrambi i processi contemporaneamente", dice Renate Pazourek (TU Wien). "E questa combinazione di percorsi ci lascia tracce caratteristiche che possono essere rilevate". Analizzando la luce assorbita dagli atomi di elio, si trovano le cosiddette risonanze di Fano, segno inequivocabile che lo stato finale è stato raggiunto per due strade diverse.

Anche questo può essere prevenuto. Durante il processo di ionizzazione, il percorso indiretto può essere efficacemente disattivato con un secondo raggio laser in modo che solo l'altro percorso rimanga aperto e la Fano-risonanza scompaia.

Questo apre una nuova possibilità di studiare l'evoluzione temporale di questo processo. All'inizio, l'atomo può seguire entrambi i percorsi contemporaneamente. Dopo qualche tempo, il percorso indiretto è bloccato. A seconda di quanto tempo è stato consentito al sistema di accedere a entrambi i percorsi, la Fano-risonanza diventa più o meno distinta.

"Le risonanze di Fano sono state osservate in un'ampia varietà di sistemi fisici, svolgono un ruolo importante nella fisica atomica", dice Stefan Donsa (TU Wien). "Per la prima volta, è ora possibile controllare queste risonanze e mostrare con precisione, come si accumulano in pochi femtosecondi." "Questi effetti quantistici sono così veloci che sulle nostre normali scale temporali sembrano accadere istantaneamente, da un momento all'altro", dice Stefan Nagele. "Solo impiegando nuovi metodi sofisticati della fisica degli attosecondi è diventato possibile studiare l'evoluzione temporale di questi processi".

Questo non solo aiuta gli scienziati quantistici a comprendere la teoria fondamentale di importanti effetti quantistici, apre anche nuove possibilità di controllo di tali processi, ad esempio facilitando o inibendo reazioni chimiche.

Lo studio è pubblicato su oggi Scienza .

Nello stesso numero di Scienza rivista, un team di scienziati francesi e spagnoli ha pubblicato un altro documento, in cui viene utilizzato un metodo complementare di spettroscopia fotoelettronica risolta nel tempo per ottenere una visione della risonanza di Fano.