Gli scienziati hanno utilizzato impulsi di luce laser sintonizzati con precisione per filmare la rotazione ultraveloce di una molecola. Il "film molecolare" risultante segue un giro e mezzo di solfuro di carbonile (OCS), una molecola a forma di bastoncino costituita da un ossigeno, un atomo di carbonio e uno di zolfo, avviene entro 125 trilionesimi di secondo, ad alta risoluzione temporale e spaziale. Il team guidato da Jochen Küpper di DESY del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) e Arnaud Rouzée del Max Born Institute di Berlino presentano i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura . CFEL è una collaborazione di DESY, la Max Planck Society e l'Universität Hamburg.

"La fisica molecolare ha sognato a lungo di catturare il movimento ultraveloce degli atomi durante i processi dinamici su pellicola, " spiega Kupper, che è anche professore all'Università di Amburgo. Non è affatto semplice, però, poiché il regno delle molecole normalmente richiede radiazioni ad alta energia con una lunghezza d'onda dell'ordine delle dimensioni di un atomo per poter vedere i dettagli. Quindi il team di Küpper ha adottato un approccio diverso:hanno utilizzato due impulsi di luce laser a infrarossi sintonizzati con precisione l'uno sull'altro e separati da 38 trilionesimi di secondo (picosecondi) per impostare le molecole di solfuro di carbonile che ruotano rapidamente all'unisono, cioè., coerentemente. Hanno quindi utilizzato un altro impulso laser con una lunghezza d'onda maggiore per determinare la posizione delle molecole a intervalli di circa 0,2 trilionesimi di secondo ciascuna. "Poiché questo impulso laser diagnostico distrugge le molecole, l'esperimento doveva essere riavviato di nuovo per ogni istantanea, " riferisce Evangelos Karamatskos, l'autore principale dello studio di CFEL.

Del tutto, gli scienziati hanno scattato 651 immagini che coprono 1,5 periodi di rotazione della molecola. Assemblati in sequenza, le immagini hanno prodotto un film di 125 picosecondi della rotazione della molecola. La molecola di solfuro di carbonile impiega circa 82 trilionesimi di secondo, cioè 0,000000000082 secondi, per completare un'intera rivoluzione. "Sarebbe sbagliato pensare al suo movimento come a quello di un bastone rotante, anche se, " dice Küpper. "I processi che stiamo osservando qui sono governati dalla meccanica quantistica. Su questa scala, oggetti molto piccoli come atomi e molecole si comportano in modo diverso dagli oggetti quotidiani che ci circondano. La posizione e la quantità di moto di una molecola non possono essere determinate simultaneamente con la massima precisione; puoi solo definire una certa probabilità di trovare la molecola in un luogo specifico in un particolare momento."

Le caratteristiche peculiari della meccanica quantistica possono essere viste in molte delle numerose immagini del film, in cui la molecola non punta semplicemente in una direzione, ma in varie direzioni allo stesso tempo, ciascuna con una probabilità diversa (vedi ad esempio la posizione delle 3 nella figura). "Sono proprio quelle direzioni e probabilità che abbiamo immaginato sperimentalmente in questo studio, " aggiunge Rouzée. "Dal fatto che queste singole immagini iniziano a ripetersi dopo circa 82 picosecondi, possiamo dedurre il periodo di rotazione di una molecola di solfuro di carbonile."

Gli scienziati ritengono che il loro metodo possa essere utilizzato anche per altre molecole e processi, ad esempio per studiare la torsione interna, cioè., torsione, di molecole o composti chirali, quelli che esistono in due forme specchiate, proprio come le mani destra e sinistra di una persona. "Abbiamo registrato un filmato molecolare ad alta risoluzione della rotazione ultraveloce del solfuro di carbonile come progetto pilota, "dice Karamatskos, riassumendo l'esperimento. "Il livello di dettaglio che siamo stati in grado di raggiungere indica che il nostro metodo potrebbe essere utilizzato per produrre filmati istruttivi sulle dinamiche di altri processi e molecole".