Un team di ricercatori del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg ha controllato in modo coerente le eccitazioni nucleari utilizzando per la prima volta una luce a raggi X opportunamente sagomata. Nell'esperimento condotto presso il Synchrotron europeo ESRF, hanno raggiunto una stabilità di controllo temporale di pochi zeptosecondi. Ciò costituisce la base per nuovi approcci sperimentali che sfruttano il controllo della dinamica nucleare che potrebbero portare a standard temporali futuri più precisi e aprire nuove possibilità sulla strada delle batterie nucleari.

I moderni esperimenti sulla dinamica quantistica possono controllare in larga misura i processi quantistici degli elettroni negli atomi mediante campi laser. Però, la vita interna dei nuclei atomici di solito non ha alcun ruolo perché la loro energia caratteristica, le scale di tempo e lunghezza sono così estreme da non essere praticamente influenzate dai campi laser. Nuovi approcci danno nuova vita alla fisica nucleare sfruttando questa insensibilità ai disturbi esterni e utilizzando le scale estreme dei nuclei atomici per misurazioni particolarmente precise. Così, i nuclei atomici possono rispondere ai raggi X con un'energia estremamente ben definita eccitando i singoli nucleoni, simili agli elettroni nel guscio atomico. Queste transizioni possono essere usate come meccanismi per orologi nucleari precisi, e ciò richiede la misurazione delle proprietà nucleari con la massima precisione.

Un team di ricercatori di fisici del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg ha fatto un passo avanti non solo misurando la dinamica quantistica dei nuclei atomici, ma anche controllandoli usando impulsi a raggi X opportunamente sagomati con stabilità temporale di pochi zeptosecondi precedentemente non raggiunta, un fattore 100 migliore di qualsiasi cosa precedentemente raggiunta. Questo apre la cassetta degli attrezzi di un controllo coerente, che è stato stabilito con successo nella spettroscopia ottica, ai nuclei atomici, fornendo possibilità e prospettive completamente nuove.

Il cosiddetto controllo coerente utilizza le proprietà ondulatorie della materia per controllare i processi quantistici tramite campi elettromagnetici, per esempio. impulsi laser. Oltre alla frequenza o alla lunghezza d'onda, ogni fenomeno ondulatorio è caratterizzato dall'ampiezza (altezza dell'onda) e dalla fase (posizione temporale delle creste e degli avvallamenti). Una semplice analogia è il controllo di un'oscillazione oscillante da periodici, spinta ondulatoria. Per questo, deve essere controllata l'esatta temporizzazione (fase) della spinta rispetto al movimento di oscillazione. Se l'oscillazione in arrivo viene spinta, è decelerato. Se, d'altra parte, si allontana, la sua deflessione è aumentata dalla spinta.

Analogamente, le proprietà quantomeccaniche della materia possono essere controllate tramite una direzione corrispondentemente precisa dei campi laser applicati. Negli ultimi decenni, ci sono stati grandi progressi e successi nel controllo coerente di atomi e molecole, con una precisione temporale della luce fino all'intervallo degli attosecondi, la miliardesima parte di un miliardesimo di secondo, che corrisponde alla scala temporale naturale degli elettroni negli atomi. Importanti obiettivi di ricerca con possibili applicazioni future sono, Per esempio, il controllo delle reazioni chimiche o lo sviluppo di nuove, standard temporali più precisi.

Negli ultimi anni, la disponibilità di nuove sorgenti di radiazioni per raggi X con qualità laser (radiazione di sincrotrone e laser a elettroni liberi) ha aperto un nuovo campo:l'ottica quantistica nucleare. I fisici dei dipartimenti di Christoph Keitel e Thomas Pfeifer del Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) di Heidelberg sono ora riusciti per la prima volta a dimostrare un controllo coerente delle eccitazioni nucleari da parte dei raggi X presso l'European Synchrotron ESRF (Grenoble, Francia) in collaborazione con ricercatori di DESY (Amburgo) e dell'Helmholtz Institute/Friedrich Schiller University (Jena). Si è ottenuta una stabilità del controllo coerente di pochi zeptosecondi (un millesimo di attosecondo).

Nell'esperimento, i ricercatori del capo progetto Jörg Evers (MPIK) hanno utilizzato due campioni arricchiti con l'isotopo di ferro 57Fe, che vengono irradiati con brevi impulsi di raggi X dal sincrotrone (Fig. 1). Nel primo campione, hanno generato un doppio impulso a raggi X controllabile, che è stato poi utilizzato per controllare la dinamica dei nuclei nel secondo campione. Le eccitazioni nucleari studiate, che si diseccitazioneno nuovamente per emissione di raggi X, sono caratterizzate da un'elevata nitidezza dell'energia:le cosiddette transizioni Mössbauer. La scoperta dell'effetto sottostante (Premio Nobel 1961) fu fatta da Rudolf Mössbauer nel 1958 al MPI per la Ricerca Medica, da cui, nello stesso anno, si è staccata la MPIK.

Per generare il doppio impulso, i nuclei del primo campione sono eccitati dal breve impulso a raggi X e, a causa della nitidezza ad alta energia, rilasciare questa eccitazione relativamente lenta sotto forma di un secondo impulso a raggi X. Nell'esperimento, il campione viene spostato rapidamente tra l'eccitazione e la diseccitazione di una piccola distanza corrispondente a circa la metà della lunghezza d'onda dei raggi X. Questo cambia il tempo di volo del secondo impulso al secondo campione, e sposta così la posizione delle onde dei due impulsi di raggi X (fase relativa) l'uno rispetto all'altro.

Questo doppio impulso ora permette di controllare i nuclei nel secondo campione. Il primo impulso eccita una dinamica quantomeccanica nel nucleo, analogo all'oscillazione oscillante. Il secondo impulso cambia questa dinamica, a seconda della fase relativa dei due impulsi radiografici. Per esempio, se l'onda del secondo impulso colpisce il secondo campione in fase con la dinamica nucleare, i nuclei sono ulteriormente eccitati. Variando la fase relativa, i ricercatori sono stati in grado di passare dall'ulteriore eccitazione dei nuclei alla diseccitazione dei nuclei, e quindi controllare lo stato quantomeccanico dei nuclei. Questo può essere ricostruito dalle strutture di interferenza misurate della radiazione a raggi X dietro il secondo campione (Fig. 2).

Un'analogia acustica è illustrata in Fig. 3:Qui, i nuclei di Mössbauer dei campioni corrispondono a diapason eccitati da un breve botto ("colpo di partenza, " analogo all'impulso di sincrotrone) e a sua volta suono leggermente smorzato con la loro frequenza ben definita. Il suono della prima forcella colpisce quindi la seconda forcella dopo il botto come eccitazione aggiuntiva. Nel caso (a), questa onda sonora si muove di fronte alla seconda forcella, in modo che la sua oscillazione sia diseccitata. Nel caso (b), la prima forcella viene spostata rapidamente in modo che il suo suono corrisponda invece al movimento della seconda forcella e quindi la ecciti di più.

Date le esigenze estreme richieste per controllare i nuclei atomici (lo spostamento del primo campione di mezza lunghezza d'onda è dell'ordine di un raggio atomico), l'apparentemente piccola influenza dei disturbi esterni sulla qualità dell'esperimento è sorprendente. Tuttavia, questo funziona, a causa della breve durata di una sequenza di misurazione, durante i quali i principali movimenti di disturbo sono praticamente congelati. Questa stabilità è un prerequisito per future nuove applicazioni basate sulle transizioni nucleari:standard temporali più precisi, indagine della variazione delle costanti fondamentali o ricerca di nuova fisica oltre i modelli accettati.

Nel campo della dinamica atomica, un controllo di vasta portata è la chiave di molte applicazioni. Le possibilità qui dimostrate aprono la porta a nuovi approcci sperimentali basati sul controllo della dinamica nucleare, per esempio. preparando nuclei in particolari stati quantistici consentendo misurazioni più precise. Nella misura in cui le future sorgenti di raggi X consentirebbero una maggiore eccitazione dei nuclei, sarebbero anche concepibili batterie nucleari in grado di immagazzinare e rilasciare grandi quantità di energia nelle eccitazioni interne dei nuclei senza fissione o fusione nucleare.