Per più di un decennio è stato possibile per i fisici misurare con precisione la posizione dei singoli atomi con una precisione inferiore a un millesimo di millimetro utilizzando uno speciale tipo di microscopio. Tuttavia, questo metodo finora ha fornito solo le coordinate xey. Mancano informazioni sulla posizione verticale dell'atomo.
È stato ora sviluppato un nuovo metodo in grado di determinare tutte e tre le coordinate spaziali di un atomo con un'unica immagine. Questo metodo, sviluppato dall’Università di Bonn e dall’Università di Bristol, si basa su un principio fisico ingegnoso. Lo studio è pubblicato sulla rivista Physical Review A .
Chiunque abbia utilizzato il microscopio in una lezione di biologia per studiare una cellula vegetale sarà probabilmente in grado di ricordare una situazione simile. È facile dire che un certo cloroplasto si trova sopra e a destra del nucleo.
Ma si trovano entrambi sullo stesso piano? Una volta regolata la messa a fuoco del microscopio, tuttavia, si vede che l'immagine del nucleo diventa più nitida mentre l'immagine del cloroplasto si offusca. Uno di essi deve essere leggermente più alto e l'altro leggermente più basso dell'altro. Tuttavia, questo metodo non può fornirci dettagli precisi sulla loro posizione verticale.
Il principio è molto simile se si vogliono osservare i singoli atomi anziché le cellule. A questo scopo può essere utilizzata la cosiddetta microscopia quantistica dei gas. Ti consente di determinare in modo semplice le coordinate xey di un atomo. Tuttavia è molto più difficile misurare la sua coordinata z, cioè la distanza dalla lente dell'obiettivo:per sapere su quale piano si trova l'atomo è necessario scattare più immagini in cui il fuoco viene spostato su diversi piani. .
Questo è un processo complesso e dispendioso in termini di tempo.
"Abbiamo ora sviluppato un metodo in cui questo processo può essere completato in un unico passaggio", spiega Tangi Legrand dell'Istituto di fisica applicata (IAP) dell'Università di Bonn. "Per raggiungere questo obiettivo, utilizziamo un effetto già noto in teoria dagli anni '90, ma che non era ancora stato utilizzato in un microscopio a gas quantistico."
Per sperimentare sugli atomi, è prima necessario raffreddarli notevolmente in modo che si muovano appena. Successivamente è possibile, ad esempio, intrappolarli in un'onda stazionaria di luce laser. Poi scivolano negli avvallamenti dell'onda, in modo simile a come le uova si trovano in una scatola per uova.
Una volta intrappolati, per rivelare la loro posizione, vengono esposti ad un ulteriore raggio laser, che li stimola ad emettere luce. La fluorescenza risultante si presenta al microscopio quantistico a gas come un granello rotondo leggermente sfocato.
"Abbiamo ora sviluppato un metodo speciale per deformare il fronte d'onda della luce emessa dall'atomo", spiega il dottor Andrea Alberti. Allo studio ha partecipato anche il ricercatore, che ora si è trasferito dall'IAP all'Istituto Max Planck di ottica quantistica di Garching.
"Invece dei tipici granelli rotondi, il fronte d'onda deformato produce sulla fotocamera una forma a manubrio che ruota su se stessa. La direzione in cui punta questo manubrio dipende dalla distanza che la luce ha dovuto percorrere dall'atomo alla fotocamera."
"Il manubrio agisce quindi un po' come l'ago di una bussola e ci permette di leggere la coordinata z in base al suo orientamento", spiega il Prof. Dr. Dieter Meschede. Il ricercatore IAP, il cui gruppo di ricerca ha effettuato lo studio, è anche membro dell'area di ricerca transdisciplinare "Matter" dell'Università di Bonn.
Il nuovo metodo permette di determinare con precisione la posizione di un atomo in tre dimensioni con un'unica immagine. Questo è importante, ad esempio, se si vogliono effettuare esperimenti di meccanica quantistica con gli atomi perché spesso è essenziale poter controllare o tracciare con precisione la loro posizione. Ciò consente ai ricercatori di far interagire gli atomi tra loro nel modo desiderato.
Inoltre, il metodo potrebbe essere utilizzato anche per contribuire allo sviluppo di nuovi materiali quantistici con caratteristiche speciali. "Potremmo ad esempio studiare quali effetti della meccanica quantistica si verificano quando gli atomi sono disposti in un determinato ordine", spiega la dott.ssa Carrie Weidner dell'Università di Bristol. "Ciò ci consentirebbe di simulare in una certa misura le proprietà dei materiali tridimensionali senza doverli sintetizzare."
Ulteriori informazioni: Tangi Legrand et al, Imaging tridimensionale di singoli atomi in un reticolo ottico tramite ingegneria della funzione di diffusione dei punti elicoidale, Revisione fisica A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.033304. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2312.05341
Fornito dall'Università di Bonn
