Nel mondo della ricerca, la diffusione è intesa come un processo in cui minuscole particelle si disperdono uniformemente in un gas o liquido. Sebbene questi mezzi siano costituiti da singole particelle, la diffusione è percepita come un processo continuo. Finora, gli effetti di una collisione individuale tra particelle – la pietra angolare della diffusione – non erano stati osservati. Ora, i fisici di Kaiserslautern ed Erlangen sono riusciti ad osservare i passaggi fondamentali della diffusione da parte dei singoli atomi in un gas e hanno fornito una descrizione teorica di questo meccanismo. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista Lettere di revisione fisica .
Quasi duecento anni fa, il medico e ricercatore scozzese Robert Brown osservò che le particelle di polline vibrano mentre si muovono attraverso un liquido. minuscole particelle, come molecole o atomi, mostrano un comportamento simile quando si disperdono all'interno di gas e liquidi. Risultato da un numero enorme di collisioni casuali, le particelle mostrano uno schema di movimenti a zigzag che provoca la miscelazione di varie sostanze. Gli scienziati si riferiscono a questi movimenti a zigzag come "movimento browniano" e alla dispersione e miscelazione di varie sostanze come diffusione.
"La diffusione è un fenomeno chiave in molte aree della scienza e costituisce la base per numerosi processi di trasporto, ad esempio nelle cellule viventi o nei dispositivi di accumulo di energia, "dice il professor Artur Widera, che conduce ricerche sulla fisica quantistica dei singoli atomi e dei gas quantistici ultrafreddi alla TU Kaiserslautern. "Ecco perché è importante avere una comprensione dei processi di diffusione in quasi ogni area delle scienze della vita, le scienze naturali, e sviluppo tecnologico».
Un facile, una comprensione semplificata della diffusione può essere ottenuta ignorando le singole collisioni tra le particelle. "In tale contesto, si parla anche di un mezzo continuo con, Per esempio, una particella più grande che si diffonde al suo interno. Questa semplificazione diventa tanto più accurata quanto più la massa delle particelle nel mezzo diventa più piccola e la frequenza delle collisioni diventa più alta, "dice il dottor Michael Hohmann, che è ricercatore nel gruppo del professor Widera e primo autore di questo studio. Un esempio quotidiano è la nebbia, che può anche essere visto come un mezzo di questo tipo, sebbene in realtà sia costituito da minuscole goccioline d'acqua individuali.
Per i loro esperimenti, i fisici che lavorano sotto Widera hanno ottimizzato le condizioni che caratterizzano un mezzo continuo:"Invece di grandi particelle, come polline, abbiamo studiato la diffusione dei singoli atomi che hanno quasi la stessa massa degli atomi del gas. Per di più, abbiamo usato un molto freddo, gas diluito per ridurre drasticamente la frequenza degli urti, " spiega Hohmann. Così facendo, i ricercatori di Kaiserslautern hanno osservato, per la prima volta, come gli atomi di cesio si diffondono a una temperatura prossima allo zero assoluto in un gas composto da atomi di rubidio. "Sono temperature che nessun frigorifero può riprodurre, quindi abbiamo usato raggi laser per raffreddare gli atomi e tenerli in posizione in un apparato sottovuoto. Ciò ha rallentato la diffusione a tal punto da poter osservare l'effetto delle singole collisioni, " spiega il professor Widera in merito al setup sperimentale.
Per la descrizione teorica dell'esperimento, i ricercatori di Kaiserslautern hanno ricevuto assistenza dal loro collega professor Eric Lutz, professore di fisica teorica alla Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), che li ha aiutati a sviluppare la modellazione matematica. "Con il nuovo modello, ora possiamo descrivere più accuratamente i movimenti degli atomi, ", afferma il ricercatore di Erlangen. Insieme, hanno mostrato che è sufficiente alterare il coefficiente di attrito nel calcolo teorico dal modello continuo. Facendo così, è anche possibile descrivere casi che non coinvolgono un mezzo continuo, come nell'esperimento precedente. Esempi di tali casi includono quando gli aerosol - miscele di particelle sospese - si disperdono in sottili strati d'aria nell'alta atmosfera, nello spazio interstellare o nei sistemi del vuoto.
