È stata una delle più grandi sorprese nella storia della scienza:agli albori della fisica quantistica, circa 100 anni fa, gli studiosi scoprirono che le particelle che compongono la nostra materia si comportano sempre come onde. Proprio come la luce può disperdersi in corrispondenza di una doppia fenditura e produrre schemi di diffusione, anche gli elettroni possono mostrare effetti di interferenza.

Nel 1933 i due teorici Piotr Kapitza e Paul Dirac dimostrarono che un fascio di elettroni viene addirittura diffratto da un'onda luminosa stazionaria (a causa delle proprietà delle particelle) e che sono prevedibili effetti di interferenza dovuti alle proprietà dell'onda.

Un team tedesco-cinese guidato dal professor Reinhard Dörner dell'Università Goethe di Francoforte è riuscito a utilizzare questo effetto Kapitza-Dirac per visualizzare anche l'evoluzione temporale delle onde degli elettroni, nota come fase meccanica quantistica degli elettroni. Lo studio è pubblicato sulla rivista Science .

"È stato un ex ricercatore dottorando presso il nostro istituto, Alexander Hartung, a costruire originariamente l'apparato sperimentale", dice Dörner. "Dopo la sua partenza, Kang Lin, un collega di Alexander von Humboldt che lavorò nel team di Francoforte per quattro anni, fu in grado di usarlo per misurare l'effetto Kapitza-Dirac dipendente dal tempo." Per fare ciò è stato necessario sviluppare ulteriormente anche la descrizione teorica, poiché Kapitza e Dirac all'epoca non presero specificamente in considerazione l'evoluzione temporale della fase elettronica.

Nel loro esperimento gli scienziati di Francoforte hanno prima sparato due impulsi laser ultracorti da direzioni opposte contro un gas xeno. Nel punto di incrocio, questi impulsi al femtosecondo – un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo – hanno prodotto un campo luminoso ultraforte per frazioni di secondo. Questo strappò gli elettroni dagli atomi di xeno, cioè li ionizzò.

Poco dopo, i fisici hanno sparato una seconda coppia di brevi impulsi laser sugli elettroni liberati in questo modo, formando anch'essi un'onda stazionaria al centro. Questi impulsi erano leggermente più deboli e non provocavano alcuna ulteriore ionizzazione. Ora, tuttavia, erano in grado di interagire con gli elettroni liberi, cosa che poteva essere osservata con l'aiuto di un microscopio di reazione COLTRIMS sviluppato a Francoforte.

"Nel momento dell'interazione possono accadere tre cose", afferma Dörner. "O l'elettrone non interagisce con la luce oppure è disperso a sinistra o a destra."

Secondo le leggi della fisica quantistica, queste tre possibilità insieme danno una certa probabilità che si riflette nella funzione d'onda degli elettroni:lo spazio simile a una nuvola in cui è probabile che si trovi l'elettrone, con una certa probabilità, collassa , per così dire, in fette tridimensionali. Qui, l'evoluzione temporale della funzione d'onda e della sua fase dipende da quanto tempo trascorre tra la ionizzazione e il momento dell'impatto della seconda coppia di impulsi laser.

"Questo apre molte interessanti applicazioni nella fisica quantistica. Speriamo che ci aiuterà a monitorare come gli elettroni si trasformano da particelle quantistiche in particelle completamente normali nel più breve tempo possibile. Stiamo già pianificando di usarlo per scoprire di più sull'entanglement tra diverse particelle che Einstein chiamava 'spettrali'," dice Dörner.