L'energia fluisce attraverso un sistema di atomi o molecole mediante una serie di processi come trasferimenti, emissioni, o decadenza. Puoi visualizzare alcuni di questi dettagli come passare una palla (l'energia) a qualcun altro (un'altra particella), tranne che il passaggio avviene più velocemente di un battito di ciglia, così velocemente che i dettagli sullo scambio non sono ben compresi. Immagina che lo stesso scambio avvenga in una stanza affollata, con altri che ti urtano e in genere complicano e rallentano il passaggio. Quindi, immagina quanto sarebbe più veloce lo scambio se tutti facessero un passo indietro e creassero una bolla sicura affinché il passaggio avvenga senza ostacoli.

Una collaborazione internazionale di scienziati, tra cui Nora Berrah, professoressa di fisica alla UConn, e il ricercatore post-dottorato e autore principale Aaron LaForge, assistito a questo miglioramento mediato da bolle tra due atomi di elio utilizzando laser ultraveloci. I loro risultati sono ora pubblicati in Revisione fisica X.

La misurazione dello scambio di energia tra gli atomi richiede misurazioni quasi inconcepibilmente veloci, dice LaForge.

"Il motivo per cui sono necessarie scale temporali più brevi è che quando si osservano i sistemi microscopici, come atomi o molecole, il loro movimento è estremamente veloce, all'incirca nell'ordine dei femtosecondi (10 ^-15 S ), che è il tempo che impiegano a spostare alcuni angstrom (10 ^-10 m), "dice LaForge.

Laforge spiega che queste misurazioni vengono effettuate con un cosiddetto laser a elettroni liberi, dove gli elettroni sono accelerati quasi alla velocità della luce, quindi utilizzando set di magneti, gli elettroni sono costretti a ondulare, che li induce a rilasciare lampi di luce a lunghezza d'onda corta. "Con gli impulsi laser ultraveloci puoi risolvere nel tempo un processo per capire quanto velocemente o lentamente si verifica qualcosa, "dice LaForge.

Il primo passo dell'esperimento è stato quello di avviare il processo, afferma LaForge:"I fisici sondano e perturbano un sistema per misurare la sua risposta scattando istantanee veloci della reazione. Pertanto, essenzialmente, ci proponiamo di realizzare un film molecolare della dinamica. In questo caso, per prima cosa abbiamo iniziato la formazione di due bolle in una nanogoccia di elio. Quindi, usando un secondo impulso, abbiamo determinato la velocità con cui sono stati in grado di interagire."

Con un secondo impulso laser i ricercatori hanno misurato come interagiscono le bolle:"Dopo aver eccitato i due atomi, intorno agli atomi si formano due bolle. Quindi gli atomi potrebbero muoversi e interagire tra loro senza dover spingere contro atomi o molecole circostanti, "dice LaForge.

Le nanogoccioline di elio sono state utilizzate come sistema modello, poiché l'elio è uno degli atomi più semplici della tavola periodica, che LaForge spiega è una considerazione importante. Anche se ci sono fino a circa un milione di atomi di elio all'interno di una nanogoccia, la struttura elettronica è relativamente semplice, e le interazioni sono più facili da chiarire con meno elementi nel sistema di cui tenere conto.

"Se vai a sistemi più complessi, le cose possono diventare più complicate piuttosto rapidamente. Ad esempio, anche l'acqua liquida è piuttosto complicata, poiché possono esserci interazioni all'interno della molecola stessa o può interagire con le molecole d'acqua vicine, "dice LaForge.

Insieme alla formazione di bolle e alle successive dinamiche, i ricercatori hanno osservato il trasferimento di energia, o decadenza, tra gli atomi eccitati, che era di un ordine di grandezza più veloce di quanto previsto in precedenza, fino a 400 femtosecondi. All'inizio, erano un po' perplessi su come spiegare un processo così veloce. Si sono rivolti a colleghi fisici teorici che potevano eseguire simulazioni all'avanguardia per comprendere meglio il problema.

"I risultati della nostra indagine non erano chiari, ma la collaborazione con i teorici ci ha permesso di inchiodare e spiegare il fenomeno, "dice LaForge.

Sottolinea che un aspetto entusiasmante della ricerca è che possiamo spingerci oltre nella comprensione dei fondamenti di questi processi ultraveloci e aprire la strada a nuove ricerche. La grande innovazione è essere in grado di creare un mezzo per misurare le interazioni al femtosecondo o addirittura attosecondo (10 ^-18 s) tempi. "È davvero gratificante quando puoi eseguire un esperimento piuttosto fondamentale che può essere applicato anche a qualcosa di più complesso, "dice LaForge.

Il processo osservato dai ricercatori si chiama Interatomic Coulombic Decay (ICD), ed è un mezzo importante per gli atomi o le molecole per condividere e trasferire energia. Le bolle hanno migliorato il processo, dimostrando come l'ambiente può alterare la velocità con cui si verifica un processo. Poiché l'ICD svolge un ruolo importante nel modo in cui i tessuti viventi reagiscono all'esposizione alle radiazioni, creando elettroni a bassa energia che possono causare danni all'interno dei tessuti, questi risultati sono di importanza biologica, perché è probabile che si formino bolle simili in altri fluidi, Come l'acqua, e con altre molecole come le proteine.

"Comprendere la scala temporale del trasferimento di energia su scala microscopica è essenziale per numerosi campi scientifici, come la fisica, chimica, e biologia. Lo sviluppo abbastanza recente di intensi, la tecnologia laser ultraveloce consente indagini risolte nel tempo con dettagli senza precedenti, aprendo un patrimonio di nuove informazioni e conoscenze, "dice Berra.