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Un laser potrebbe filmare il lato quantistico nascosto delle molecole
Un gruppo dell'Università di Göttingen ha ottenuto l'immagine tridimensionale completa dell'orbitale molecolare di una molecola organica grande pochi nanometri. I ricercatori hanno combinato una sorgente laser da laboratorio nei raggi X soffici, la spettroscopia degli elettroni e nuovi metodi matematici. Il risultato mostra dettagli più piccoli della distanza tra gli atomi di carbonio della molecola. In prospettiva, la stessa tecnica potrebbe diventare una sorta di videocamera capace di seguire trasformazioni quantistiche ultraveloci.
In meccanica quantistica, un elettrone non viene descritto come una pallina collocata in un punto preciso, ma attraverso una funzione d'onda che permette di calcolare la probabilità di osservarne posizione, quantità di moto e altre proprietà. Nelle molecole queste strutture prendono il nome di orbitali e determinano, tra le altre cose, l'assorbimento della luce e il modo in cui possono svilupparsi le reazioni chimiche.
La funzione d'onda non può essere osservata direttamente. Il gruppo ha quindi impiegato la spettroscopia fotoelettronica, misurando la quantità di moto degli elettroni espulsi dalla molecola. L'esperimento fornisce accesso a una parte dell'informazione senza modificare fisicamente lo stato studiato; gli algoritmi di ricostruzione sviluppati dal team recuperano la componente mancante e producono l'immagine completa in tre dimensioni.
Finora misure tridimensionali di questo tipo richiedevano lunghe sessioni presso grandi impianti di sincrotrone. Il nuovo sistema necessità di molti meno dati e utilizza una sorgente da laboratorio di raggi X soffici, capace di generare impulsi luminosi estremamente brevi. Il risultato riguarda l'imaging molecolare, non i computer quantistici, ma la distinzione fra dimostrazione e applicazione richiama la cautela adottata nella nostra analisi sui risultati quantistici sopravvalutati.
La conseguenza concreta sarebbe rendere queste ricostruzioni più accessibili e abbastanza rapide da studiare processi dinamici. Gli autori ipotizzano una videografia stroboscopica capace di mostrare come un orbitale cambia quando la molecola riceve luce o subisce una trasformazione elettronica o chimica. Una risoluzione sulla scala dei femtosecondi, pari a milionesimi di miliardesimo di secondo, permetterebbe di seguire interazioni che coinvolgono appena pochi atomi.
Per chi segue hardware, fotonica e semiconduttori, uno strumento simile offrirebbe una finestra sperimentale sui meccanismi alla base di materiali fotosensibili, componenti molecolari e reazioni controllate dalla luce. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, dimostra però la ricostruzione statica di un orbitale: non presenta ancora il filmato completo di una funzione d'onda mentre evolve.
La trasformazione della tecnica in una vera videocamera molecolare resta quindi un obiettivo, non un risultato già acquisito. Serviranno esperimenti temporali affidabili, verifiche su molecole differenti e una qualità sufficiente anche durante cambiamenti rapidissimi. I video tridimensionali quantistici potrebbero nascere da questa piattaforma, ma lo studio non indica una scadenza né dimostra ancora un impiego industriale immediato.
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