Come ruotano le molecole in un solvente? Rispondere a questa domanda è complicato, poiché la rotazione molecolare è perturbata da un numero molto elevato di atomi circostanti. Per molto tempo, le simulazioni al computer su larga scala sono state l'approccio principale per modellare le interazioni molecola-solvente. Però, sono estremamente dispendiosi in termini di tempo e talvolta irrealizzabili. Ora, Mikhail Lemeshko dell'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) ha dimostrato che gli angulon, un certo tipo di quasiparticella che ha proposto due anni fa, lo fanno, infatti, forma quando una molecola è immersa nell'elio superfluido. Questo offre una descrizione rapida e semplice per la rotazione delle molecole nei solventi.

In fisica, il concetto di quasiparticelle viene utilizzato come tecnica per semplificare la descrizione di sistemi a molte particelle. Vale a dire, invece di modellare forti interazioni tra trilioni di singole particelle, si identificano gli elementi costitutivi del sistema che interagiscono solo debolmente tra loro. Questi elementi costitutivi sono chiamati quasiparticelle e potrebbero consistere in gruppi di particelle. Per esempio, per descrivere le bolle d'aria che salgono nell'acqua dai primi principi, bisognerebbe risolvere un enorme insieme di equazioni che descrivono la posizione e la quantità di moto di ogni molecola d'acqua. D'altra parte, le bolle stesse possono essere trattate come singole particelle, o quasiparticelle, il che semplifica drasticamente la descrizione del sistema. Come altro esempio, considera un cavallo in corsa avvolto da una nuvola di polvere. Si può pensare a una quasiparticella costituita dal cavallo stesso e dalla nuvola di polvere che si muove con esso. Capire cosa sta succedendo in termini di un simile "quasi cavallo" è sostanzialmente più facile rispetto al trattamento di ogni granello di polvere, così come il cavallo, separatamente in una simulazione complicata.

Quest'ultimo esempio è simile a quello che ha fatto Mikhail Lemeshko nel suo studio. Invece di trattare separatamente la molecola rotante e tutti gli atomi del materiale circostante, usava gli angulon per guardare il problema da una prospettiva diversa. Quasiparticelle di Angulon, che si formano quando un oggetto rotante interagisce con l'ambiente circostante, sono stati previsti teoricamente due anni fa da Lemeshko e Schmidt. Fino ad ora, però, erano considerati solo teorici. Lo studio di Lemeshko, che è stato pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , si basa su dati sperimentali raccolti da diversi laboratori negli ultimi due decenni. Tutti gli esperimenti avevano una cosa in comune:è stato osservato che molecole di diverso tipo ruotano all'interno di minuscole goccioline di elio superfluido. Come ha mostrato Lemeshko, indipendentemente da quale molecola è stata studiata, specie pesanti o leggere, metano, acqua, anidride carbonica o ammoniaca, l'esito della teoria dell'angulon è sempre stato in buon accordo con le misurazioni. Ciò indica che le quasiparticelle angulon fanno, infatti, si formano all'interno delle goccioline di elio.

"Nel nostro primo studio, abbiamo proposto gli angulon come possibilità per descrivere la rotazione delle molecole nei solventi. Ora, abbiamo fornito prove evidenti che gli angulon esistono effettivamente, " dice Lemeshko. Ciò semplifica sostanzialmente le teorie a molte particelle esistenti e potrebbe portare ad applicazioni nella fisica molecolare, chimica teorica, e anche biologia.

Una prima applicazione della teoria dell'angulon è stata trovata da Enderalp Yakaboylu, un postdoc nel gruppo di Lemeshko. Gli autori hanno predetto che anche un mezzo non polarizzabile può schermare un'impurità immersa da un campo elettromagnetico esterno. Questo effetto, che sembra contraddire l'intuizione, si chiama "schermo anomalo" ed è causato da uno scambio di momento angolare a livello quantistico. La scoperta, che gli autori hanno pubblicato in Lettere di revisione fisica , è stato reso possibile descrivendo la particella carica e l'ambiente circostante come una quasiparticella angulon. Le misurazioni future mostreranno se la previsione può essere dimostrata sperimentalmente.