Echi, suoni che si ripetono o si riverberano come risultato di onde riflesse all'ascoltatore, si verificano in diversi sistemi fisici. Nella ricerca in fisica, gli echi sono tipicamente usati per eliminare gli effetti di sfasamento causati dalle interazioni di un sistema con l'ambiente, oltre a svelare le proprietà intrinseche di certi oggetti.

I ricercatori del Weizmann Institute of Science e della East China Normal University (ECNU) hanno osservato sperimentalmente gli echi dei pacchetti di onde quantistiche in un singolo, molecola isolata. Le loro scoperte, recentemente pubblicato in Fisica della natura , potrebbe introdurre nuovi strumenti per sondare i processi intramolecolari ultraveloci nelle molecole.

"Questo lavoro è emerso come risultato di una discussione che abbiamo avuto con i nostri colleghi cinesi nel 2017, durante FRISNO, un workshop sull'ottica non lineare organizzato dall'Istituto Weizmann in uno scenografico Kibbutz Ein Gedi, appena a parte il Mar Morto, "Professore Ilya Averbukh, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "In precedenza, abbiamo avuto una continua e proficua collaborazione con il gruppo di Shanghai, così come con un team francese dell'Università della Borgogna, Digione, concentrandosi sugli echi nella rotazione molecolare."

L'analisi teorica inizialmente effettuata da Averbukh e dai suoi colleghi ha suggerito che gli echi rotazionali osservati nei gas molecolari dovrebbero avere le loro controparti nella dinamica vibrazionale molecolare, una previsione che è stata poi confermata dai loro esperimenti. Una volta che hanno iniziato a condurre esperimenti, però, i ricercatori si sono resi conto che il sistema di misurazione utilizzato presso l'ECNU consente anche l'osservazione del cosiddetto "effetto eco" in gas estremamente rarefatti, e potenzialmente anche in una singola molecola.

L'apparato utilizzato dai ricercatori dell'istituto cinese è, infatti, in grado di rilevare segnali provenienti da singole molecole, uno alla volta. Quando se ne accorsero, il team ha deciso di studiare gli echi dei pacchetti di onde quantistiche in una singola molecola. Le molecole usate nel loro esperimento erano vibrazionalmente fredde, quindi l'interazione di tutte le molecole con i campi laser è partita dallo stesso stato iniziale ed è governata dalle regole della meccanica quantistica.

"Generalmente, gli echi appaiono in insiemi contenenti molti giri, atomi o molecole le cui proprietà sono leggermente disperse, " ha detto Averbukh. "Nel caso di singole molecole, la necessaria 'incertezza' è introdotta dalla magia della meccanica quantistica. Mentre tutte le molecole partono dallo stesso stato iniziale e sono eccitate esattamente dagli stessi campi laser, il loro stato dopo l'eccitazione non è completamente noto e le molecole esistono in una "sovrapposizione" di più stati vibrazionali quantistici."

Gli effetti studiati da Averbukh e dai suoi colleghi assomigliano a quelli introdotti in un famoso esperimento mentale di Richard Feynman, che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1965. In questo 'esperimento gedanken', Feynman considerò l'invio di elettroni uno per uno attraverso due fenditure ravvicinate, e raccogliendo il segnale da uno schermo dietro queste fessure. Se non vengono introdotte misurazioni aggiuntive, le leggi della meccanica quantistica impediscono ai ricercatori di sapere attraverso quale fenditura è passato ogni singolo elettrone. Di conseguenza, mentre i singoli elettroni sono sparsi casualmente sullo schermo, quando l'esperimento viene ripetuto molte volte, i singoli clic sullo schermo formano uno schema di interferenza causato da questa "incertezza quantistica".

"Nel nostro caso, l'interferenza quantistica avviene all'interno di ogni singola molecola e si manifesta nel dominio del tempo piuttosto che nello spazio regolare, " ha spiegato Averbukh. "In un certo senso, il nostro lavoro presenta una versione intramolecolare risolta nel tempo dell'esperimento mentale di Feynman".

Negli esperimenti condotti da Averbukh e dai suoi colleghi, le dinamiche spazio-temporali degli echi quantistici dei pacchetti d'onda in una singola molecola isolata sono state visualizzate con risoluzioni di femtosecondi e Angstrom. Per fare questo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di rilevamento delle coincidenze ideata dal team dell'ECNU in una camera a vuoto ultraelevato.

"Le molecole interagiscono con gli impulsi laser una alla volta e vengono misurate individualmente, "Professore Jian Wu, che ha guidato il team che ha eseguito gli esperimenti presso l'ECNU, ha detto a Phys.org. "Simile agli esperimenti di interferenza 'singola particella', per esempio., singoli elettroni o singoli fotoni che passano attraverso una doppia fenditura, qui, la misurazione viene ripetuta molte volte fino a visualizzare chiaramente la distribuzione di probabilità degli echi delle singole molecole nello spazio e nel tempo."

Eccitando impulsivamente onde vibrazionali nella molecola, i ricercatori sono stati in grado di osservarne le oscillazioni e la dispersione nel tempo. Ciò ha permesso loro di identificare due meccanismi chiave dietro la formazione di echi nelle molecole, vale a dire, un forte scuotimento del potenziale molecolare indotto e la creazione di un "buco" indotto dall'esaurimento nella distribuzione spaziale nucleare.

L'osservazione di un'eco da una singola molecola è un risultato insolito. La maggior parte degli studi precedenti si è concentrata sugli echi che si verificano in una distribuzione disomogenea di molecole, dove l'eco era tipicamente usato per eliminare le variazioni individuali tra molecole diverse. Il team dietro l'attuale studio, d'altra parte, è stato in grado di sondare intrinsecamente le proprietà interne di una singola molecola, raccogliendo nuovi interessanti risultati.

"I nostri esperimenti sulla singola molecola si uniscono a un piccolo numero di esperimenti correlati, come l'interferenza di un singolo elettrone o di un singolo atomo o di un singolo fotone (ad es. in un esperimento di Young a due fenditure) e come tale, forniscono una prospettiva aggiuntiva sull'elemento fondamentale della dualità onda-particella nella meccanica quantistica, "Professore Yehiam Prior, un altro ricercatore che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org.

Finora, gli scienziati del Weizmann Institute of Science e dell'ECNU hanno eseguito i loro esperimenti su piccole molecole individuali. Nel futuro, però, la loro procedura potrebbe, in linea di principio, essere usato per studiare gli echi in oggetti più grandi con molti gradi di libertà interni, consentendo lo studio di questi gradi di libertà interni in molecole isolate. Inoltre, le loro scoperte potrebbero aprire la strada allo sviluppo di strumenti più efficienti per sondare processi specifici in diverse molecole.

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