È stata aperta una nuova porta al mondo quantistico:quando un atomo assorbe o rilascia energia tramite il salto quantico di un elettrone, diventa più pesante o più leggero. Questo può essere spiegato dalla teoria della relatività di Einstein (E =mc ² ). Però, l'effetto è minuscolo per un singolo atomo. Tuttavia, il team di Klaus Blaum e Sergey Eliseev del Max Planck Institute for Nuclear Physics ha misurato con successo per la prima volta questo cambiamento infinitesimale nella massa dei singoli atomi. Per raggiungere questo obiettivo, hanno usato l'equilibrio atomico Pentatrap ultra preciso presso l'Istituto di Heidelberg. Il team ha scoperto uno stato quantico precedentemente non osservato nel renio, che potrebbe essere interessante per futuri orologi atomici. Soprattutto, questo equilibrio atomico estremamente sensibile consente una migliore comprensione del complesso mondo quantistico degli atomi pesanti.

Stupefacente, ma vero:se ricarichi un orologio meccanico, diventa più pesante. La stessa cosa accade quando ricarichi il tuo smartphone. Ciò può essere spiegato dall'equivalenza di energia (E) e massa (m), che Einstein espresse nella formula più famosa della fisica:E =mc ² (c:velocità della luce nel vuoto). Però, questo effetto è così piccolo che sfugge completamente alla nostra esperienza quotidiana. Una bilancia convenzionale non sarebbe in grado di rilevarlo.

Ma al Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg, c'è un equilibrio che può:Pentatrap. Può misurare la minuscola variazione di massa di un singolo atomo quando un elettrone assorbe o rilascia energia tramite un salto quantico, aprendo così un nuovo mondo per la fisica di precisione. Tali salti quantici nei gusci elettronici degli atomi modellano il nostro mondo, sia nella fotosintesi vitale e nelle reazioni chimiche generali sia nella creazione del colore e della nostra visione.

Una formica sopra un elefante

Rima Schussler, ora borsista post-dottorato al Max Planck Institute for Nuclear Physics, ha contribuito a costruire Pentatrap dal completamento della sua tesi di Master nel 2014. È l'autrice principale di un articolo su una scoperta inaspettata fatta in una collaborazione presso il Max Planck PTB Riken Centre:In rhenium, esiste uno stato quantistico elettronico precedentemente sconosciuto con proprietà speciali. Schüssler usa la seguente analogia per descrivere il grado di sensibilità con cui Pentatrap può rilevare il salto di un elettrone in questo stato quantistico tramite il cambiamento di massa di un atomo di renio:"Pesando un elefante di sei tonnellate, siamo stati in grado di determinare se una formica di dieci milligrammi ci stesse strisciando sopra".

Pentatrap consiste di cinque trappole Penning. Affinché una tale trappola possa pesare un atomo, deve essere caricato elettricamente (cioè diventare uno ione). Poiché il renio è stato privato di 29 dei suoi 75 elettroni, è molto carico. Ciò aumenta notevolmente la precisione della misurazione. La trappola cattura questo ione renio altamente carico in una combinazione di un campo magnetico e un campo elettrico di forma speciale. Dentro, percorre un percorso circolare, che è finemente attorcigliato in se stesso. In linea di principio, può essere pensato come una palla su una corda, che può ruotare nell'aria. Se questo viene fatto con forza costante, una palla più pesante ruota più lentamente di una più leggera.

Uno stato quantico estremamente longevo nel renio

In Pentatrap, due ioni renio ruotavano alternativamente nelle trappole impilate. Uno ione era nello stato quantico energeticamente più basso. Quando il secondo ione è stato generato, un elettrone è stato eccitato casualmente in uno stato superiore fornendo energia. In un senso, era l'orologio a carica. A causa dell'energia immagazzinata, divenne marginalmente più pesante e quindi circolava più lentamente del primo ione. Pentatrap conta con precisione il numero di giri per unità di tempo. La differenza nel numero di giri ha prodotto l'aumento di peso.

Usando questo metodo, il team ha scoperto uno stato quantico estremamente longevo nel renio. È metastabile (cioè decade dopo una certa vita). Secondo i calcoli dei teorici dell'istituto guidato da Zoltán Harman e Christoph H. Keitel, l'Università di Heidelberg, e il Laboratorio Kastler Brossel di Parigi, sono 130 giorni. La posizione dello stato quantistico concorda abbastanza bene anche con i calcoli del modello che utilizzano metodi quantomeccanici all'avanguardia.

Possibile applicazione in futuri orologi atomici

Tali stati elettronici eccitati in ioni altamente carichi sono interessanti per la ricerca di base e per una possibile applicazione in futuri orologi atomici, come ricercato dal gruppo di lavoro di José Crespo López-Urrutia presso l'Istituto in collaborazione con il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Per loro, lo stato metastabile nel renio è attraente per diversi motivi. Primo, per la sua longevità, corrisponde a una frequenza orbitale acuta dell'elettrone attorno al nucleo atomico. Secondo, l'elettrone può essere eccitato con luce a raggi X morbida per saltare in questo stato quantistico. In linea di principio, un tale orologio potrebbe ticchettare più velocemente e quindi anche con maggiore precisione rispetto all'attuale generazione di orologi atomici ottici. Però, secondo Ekkehard Peik, chi è responsabile del Dipartimento Tempo e Frequenza presso PTB e che non è stato coinvolto nel lavoro, è ancora troppo presto per ipotizzare se la scoperta possa essere adatta per una nuova generazione di orologi atomici.

"Tuttavia, questo nuovo metodo per scoprire stati quantistici di lunga durata è spettacolare, " dice il fisico. Immagina che gli orologi atomici che funzionano con tali nuovi stati quantistici potrebbero inizialmente offrire un nuovo campo di prova per la ricerca di base. Poiché gli ioni renio mancano di molti elettroni che si schermano reciprocamente, gli elettroni rimanenti sentono particolarmente forte il campo elettrico del nucleo atomico. Gli elettroni quindi corrono attorno al nucleo a velocità così elevate che il loro movimento deve essere descritto utilizzando la teoria della relatività speciale di Einstein. Con il nuovo equilibrio atomico, sarebbe anche possibile verificare con alta precisione se la relatività speciale e la teoria dei quanti interagiscono come descritto da questa teoria.

Generalmente, il nuovo equilibrio atomico offre un nuovo accesso alla vita interna quantistica degli atomi più pesanti. Poiché questi sono costituiti da molte particelle:elettroni, protoni, e neutroni:non possono essere calcolati esattamente. I modelli atomici per i calcoli teorici si basano quindi su semplificazioni, e questi possono ora essere controllati in modo estremamente accurato. Potrebbe essere possibile utilizzare tali atomi come sonde nella ricerca di particelle sconosciute, che può essere rilevato solo dalla forza gravitazionale estremamente debole. Questa materia oscura è uno dei più grandi misteri irrisolti della fisica.

Sulla via della nuova fisica

Un passo importante verso l'accesso alla nuova fisica con metodi atomico-fisici è stato compiuto anche con Pentatrap [Phys. Rev. Lett. 124, 113001]. I ricercatori di Heidelberg hanno effettuato misurazioni di massa su una catena di cinque coppie di isotopi di xeno. Utilizzando la spettroscopia laser ad alta risoluzione su catene simili di altri elementi come calcio e itterbio, una relazione lineare può essere dedotta dalle piccole differenze di energia (spostamento isotopico). Deviazioni non lineari da questo possono, però, essere un'indicazione di nuova fisica (ulteriori interazioni fondamentali, nuove particelle, materia oscura), che si manifesta sotto un'osservazione estremamente precisa, un'alternativa agli esperimenti ad alta energia. Anche qui, dovrebbe essere sottolineata la stretta collaborazione con la teoria (gruppo di Zoltan Harman presso MPIK). La misurazione diretta dell'energia di legame di un elettrone in uno ione altamente carico mostra un ottimo accordo con i calcoli relativi alla struttura atomica. Questo crea la base ad es. per futuri test ad alta precisione di elettrodinamica quantistica.