Gli elementi superpesanti sono intriganti sistemi quantistici nucleari e atomici che sfidano l'indagine sperimentale in quanto non si verificano in natura e, quando sintetizzato, svanire in pochi secondi. Spingere l'avanguardia della ricerca in fisica atomica su questi elementi richiede sviluppi rivoluzionari verso tecniche di spettroscopia atomica veloce con estrema sensibilità. Uno sforzo congiunto nell'ambito del programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione europea e guidato dal Dr. Mustapha Laatiaoui della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) è culminato in una proposta di spettroscopia ottica:la cosiddetta cromatografia a risonanza laser (LRC) dovrebbe consentire tali indagini anche a piccole quantità di produzione. La proposta è stata recentemente pubblicata in due articoli in Lettere di revisione fisica e Revisione fisica A .

Gli elementi superpesanti (SHE) si trovano nella parte inferiore della tavola periodica degli elementi. Rappresentano un terreno fertile per lo sviluppo della comprensione di come tali atomi esotici possano esistere e funzionare quando un numero schiacciante di elettroni nei gusci atomici e protoni e neutroni nel nucleo si uniscono. Informazioni dettagliate sulla loro struttura elettronica possono essere ottenute da esperimenti di spettroscopia ottica che svelano spettri di emissione specifici degli elementi. Questi spettri sono potenti punti di riferimento per i calcoli dei modelli atomici moderni e potrebbero essere utili, Per esempio, quando si tratta di cercare tracce di elementi ancora più pesanti, che potrebbe essere creato in eventi di fusione di stelle di neutroni.

L'approccio LRC combina diversi metodi

Sebbene le SHE siano state scoperte decenni fa, la loro indagine con strumenti di spettroscopia ottica è molto indietro rispetto alla sintesi. Questo perché sono prodotti a tassi estremamente bassi ai quali i metodi tradizionali semplicemente non funzionano. Finora, la spettroscopia ottica termina al nobelio, elemento 102 nella tavola periodica. "Le tecniche attuali sono al limite di ciò che è fattibile, " ha spiegato Laatiaoui. Dal prossimo elemento più pesante in poi, le proprietà fisico-chimiche cambiano bruscamente e impediscono di fornire campioni in stati atomici adeguati."

Insieme ai colleghi ricercatori, il fisico ha quindi sviluppato il nuovo approccio LRC nella spettroscopia ottica. Questo combina la selettività degli elementi e la precisione spettrale della spettroscopia laser con la spettrometria di massa a mobilità ionica e unisce i vantaggi di un'elevata sensibilità con la "semplicità" del rilevamento ottico come nella spettroscopia a fluorescenza indotta dal laser. La sua idea chiave è quella di rilevare i prodotti di eccitazioni ottiche risonanti non sulla base della luce fluorescente come al solito, ma in base al loro caratteristico tempo di deriva verso un rivelatore di particelle.

Nel loro lavoro teorico, i ricercatori si sono concentrati sul laurenzio caricato singolarmente, elemento 103, e sul suo omologo chimico più leggero. Ma il concetto offre un accesso senza precedenti alla spettroscopia laser di molti altri ioni monoatomici nella tavola periodica, in particolare dei metalli di transizione compresi i metalli refrattari ad alta temperatura e gli elementi oltre il laurenzio. Anche altre specie ioniche come il torio a tripla carica saranno alla portata dell'approccio LRC. Inoltre, il metodo consente di ottimizzare i rapporti segnale-rumore e quindi di facilitare la spettrometria di mobilità ionica, chimica degli ioni selezionati dallo stato, e altre applicazioni.

Il Dr. Mustapha Laatiaoui è venuto alla Johannes Gutenberg University Mainz e all'Helmholtz Institute Mainz (HIM) nel febbraio 2018. Alla fine del 2018, ha ricevuto un ERC Consolidator Grant dallo European Research Council (ERC), una delle sovvenzioni di finanziamento più preziose dell'Unione europea, per le sue ricerche sugli elementi più pesanti mediante spettroscopia laser e spettroscopia di mobilità ionica. Le pubblicazioni attuali includevano anche lavori che Laatiaoui aveva precedentemente svolto presso GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung a Darmstadt e presso KU Leuven in Belgio.