Nuovo esperimento rende mondo quantistico visibile con vortici di luce e laser

Un metodo per consentire la visualizzazione di stati quantistici degli elettroni prima non visibili è stato messo a punto da un team di fisici dell’Università Martin Luther di Halle-Wittenberg (MLU) in collaborazione con Elettra Sincrotrone Trieste e con altri scienziati internazionali. Il nuovo metodo si basa sui vortici di luce, detti anche vortici ottici, in combinazione con i raggi laser convenzionali.
Il complesso esperimento è stato realizzato con il laser ad elettroni liberi FERMI, situato a Trieste.
Secondo i ricercatori risultati raggiunti nel corso di questo studio potrebbero essere utilizzati per comprendere meglio determinate ed importanti proprietà dei materiali tra cui la conduttività elettrica e il magnetismo nonché le strutture a livello molecolare.

Ad oggi, il mondo quantistico “rimane invisibile”, come spiega Jonas Wätzel dell’Istituto di fisica dell’MLU, un membro del team che ha effettuato l’esperimento e che ha realizzato lo studio. Visualizzare direttamente gli elettroni all’interno degli atomi è infatti attualmente ancora impossibile: la loro espansione spaziale massima è molte volte inferiore alla lunghezza d’onda della luce. Ciò rende impossibile qualsiasi tipologia di imaging con la microscopia ottica tradizionale.

Tuttavia esiste un effetto, denominato “effetto fotoelettrico”, come spiega ancora Wätzel, che accade quando un fotone ha uno livello di energia molto forte. In tal caso può far fuoriuscire un elettrone dal materiale e risulta quindi possibile analizzare le proprietà del fotoelettrone emesso attraverso particolari spettrometri tramite una tecnica denominata spettroscopia fotoelettronica.
Tuttavia si tratta di un effetto che non coinvolge molti stati quantistici i quali rimangono ancora praticamente invisibili.

I ricercatori hanno dunque ideato un metodo combinando raggi laser con vortici di luce che, quando interagiscono con una materia, provocano l’espulsione degli elettroni attraverso un movimento elicoidale. Le proprietà di questi elettroni, prima invisibili, possono poi essere analizzate tramite la spettroscopia.
“Questo metodo di spettroscopia apre la strada a nuove intuizioni sulla struttura della materia e sulla sua interazione con la luce. L’aspetto di una molecola, se ruota in senso orario o antiorario, se un materiale può condurre elettricità o è magnetico, tutto dipende dalla struttura elettronica”, spiega Wätzel nel comunicato stampa. Lo studio è stato pubblicato su Nature Photonics.

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