Illustrazione di una molecola di carbonio sottoposta a raffreddamento laser. Credito:Nicoletta Barolini, Columbia University
La vita (come la conosciamo) è basata sul carbonio. Nonostante la sua ubiquità, questo importante elemento custodisce ancora molti segreti, sulla terra e nei cieli sopra di noi. Ad esempio, gli astrofisici come Daniel Wolf Savin della Columbia che studiano le nuvole interstellari vogliono capire come le sostanze chimiche, incluso il carbonio, che vorticano all'interno di queste nebulose aggregazioni di gas e polvere formano le stelle e i pianeti che punteggiano il nostro universo e danno origine alla vita organica.
Queste nubi interstellari sono fredde a un estremo che è difficile da imitare in un laboratorio, ma la Columbia ha esperti di scienza ultrafredda. In un ritiro del Dipartimento di Fisica diversi anni fa al Nevis Laboratory della Columbia, l'astrofisico Savin incontrò il fisico quantistico Sebastian Will. Il laboratorio di Will è specializzato nel raffreddare atomi e molecole al loro limite assoluto con l'aiuto dei laser. Le tecniche di raffreddamento laser sono progredite rapidamente negli ultimi anni, ma le scelte tipiche dei fisici di atomi e molecole non si presentano troppo spesso nella vita di tutti i giorni. Savin voleva sapere:potresti raffreddare le molecole di carbonio?
La risposta, almeno teoricamente, è sì, secondo uno studio che il dottorando in fisica Niccolò Bigagli, Savin e Will hanno recentemente pubblicato su Physical Review A .
Il punto di partenza per il raffreddamento laser di qualsiasi atomo o molecola è capire come assorbe ed emette luce; quel processo riduce l'energia cinetica dell'atomo o della molecola, raffreddandolo alla fine e portandolo quasi a un punto morto. I dati spettroscopici necessari sono difficili da ottenere e spesso richiedono costose apparecchiature di laboratorio, ma fortunatamente i dati per le molecole di carbonio esistevano già nel database ExoMol, una risorsa open source dell'University College London di dati di spettroscopia molecolare che gli astrofisici utilizzano per studiare le atmosfere degli esopianeti .
Bigagli si è tuffato nei dati di ExoMol e ha sviluppato uno schema che dovrebbe essere in grado di utilizzare i laser per raffreddare le molecole di carbonio fino a temperature estremamente basse, replicando più fedelmente quelle condizioni all'interno delle nuvole interstellari di quanto non fosse stato possibile in precedenza in laboratorio, ha osservato Savin. Queste molecole di carbonio freddo potrebbero quindi essere intrappolate con le cosiddette pinzette ottiche per la spettroscopia ad alta precisione delle loro proprietà fondamentali o per esperimenti di reazione per studiarne la chimica quantistica, come sottolineato da Will.
"Le molecole di carbonio sono elementi costitutivi assolutamente essenziali per tante altre molecole:è incredibile pensare alle possibilità di ciò che potremmo essere in grado di creare con questo nuovo schema di raffreddamento laser", ha affermato Bigagli. Ciò potrebbe includere la combinazione di carbonio con atomi di idrogeno per studiare un'importante classe di molecole chiamate idrocarburi.
Il fatto che le molecole di carbonio, che per alcuni aspetti sono abbastanza diverse dalle molecole che sono state finora raffreddate al laser in laboratorio, siano suscettibili alla tecnica aumenta anche la possibilità che possano essere sul tavolo più opzioni di quelle precedentemente realizzate. "Le molecole di carbonio potrebbero essere il ponte tra le molecole un po' esoteriche dei fisici e quelle che i chimici studiano con applicazioni più reali", ha detto Bigagli. Il team sta attualmente analizzando ulteriori dati per identificare altre molecole interessanti che potrebbero essere potenzialmente raffreddate al laser, oltre a pensare a cosa potrebbero aggiungere al carbonio raffreddato.
Solo gli esperimenti reali diranno quanto successo avrà lo schema di raffreddamento del carbonio, ha affermato Will, e spera che il suo laboratorio sarà in grado di costruire presto le configurazioni laser necessarie. "Abbiamo dimostrato che, fondamentalmente, questo funzionerà con la tecnologia all'avanguardia:abbiamo solo bisogno delle risorse per metterlo insieme", ha affermato. + Esplora ulteriormente
