Effetti quantistici rilevati nelle collisioni di idrogeno e gas nobili

5 giugno 2023

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dalla Libera Università di Berlino

Un gruppo di ricerca della Freie Universität Berlin guidato dalla professoressa Christiane Koch, fisica quantistica, ha dimostrato come si comportano le molecole di idrogeno quando entrano in collisione con atomi di gas nobili come l'elio o il neon. In un articolo pubblicato sulla rivista Science, i ricercatori descrivono come hanno utilizzato le simulazioni per tracciare connessioni tra i dati degli esperimenti e i modelli teorici della fisica quantistica.

Lo studio comprende calcoli teorici e dati raccolti in esperimenti con atomi e molecole condotti presso l'Università TU di Dortmund e il Weizmann Institute of Science in Israele. Il team è riuscito a dimostrare che le collisioni cambiano il modo in cui le molecole vibrano e ruotano secondo le leggi della meccanica quantistica. La ricerca nel campo della meccanica quantistica continua ad acquisire importanza nel mondo di oggi. Risultati come questi possono essere applicati allo sviluppo di telefoni cellulari, televisori, satelliti e alla tecnologia diagnostica medica.

L'effetto quantistico qui osservato è noto come risonanza di Feshbach. "Per un breve istante dopo la collisione, la molecola di idrogeno e l'atomo di gas nobile formano un legame chimico e poi si separano di nuovo", spiega il professor Koch della Freie Universität di Berlino.

Tuttavia, nonostante le misurazioni e i calcoli estremamente dettagliati per un sistema relativamente piccolo e semplice, i ricercatori sono ancora lontani dal riuscire a ricostruire tutte le caratteristiche quantomeccaniche della collisione idrogeno-gas nobile. "Ciò è dovuto a uno dei fenomeni fondamentali della meccanica quantistica: quando si tratta di misurazioni, non si possono aggirare i principi di base della fisica classica. Ciò crea un dilemma: siamo in grado di descrivere matematicamente determinati fenomeni della meccanica quantistica in termini astratti, ma è comunque necessario utilizzare concetti della fisica classica per comprenderli appieno," spiega Koch.

Gli effetti quantistici – ovvero tipi di comportamento che non possono essere spiegati con le regole della fisica classica – compaiono quando gli atomi e le molecole non possono più essere sufficientemente descritti dalla posizione che occupano e dalla velocità con cui si muovono. "Mostrano caratteristiche che associamo alla dispersione delle onde, come l'interferenza, ovvero la stratificazione costruttiva o distruttiva delle onde", afferma Koch. Oltre a ciò, ci sono altri fenomeni come l’entanglement, che si verifica quando gli oggetti della meccanica quantistica esercitano un’influenza immediata l’uno sull’altro nonostante siano spazialmente distanti.

Gli effetti quantistici compaiono tipicamente nel regno di oggetti molto piccoli come atomi e molecole, e quando questi oggetti sono poco influenzati dal loro ambiente. Quest'ultimo si ottiene per periodi di tempo molto brevi o a temperature estremamente basse vicine allo zero assoluto (-273,15°C). "In queste circostanze, per queste particelle è disponibile solo una piccola quantità dei cosiddetti stati quantistici. Il sistema sostanzialmente si comporta in modo ordinato", afferma Koch.

Temperature più elevate consentono un numero maggiore di stati quantistici nelle particelle e gli effetti della meccanica quantistica tendono a livellarsi quando distribuiti come media statistica tra i vari stati, e quindi sostanzialmente scompaiono dalla vista. In questo stato, il sistema si comporta in modo più casuale e può essere descritto utilizzando le statistiche. Finora, anche le collisioni atomo-molecola più fredde hanno mostrato questo comportamento statisticamente prevedibile. "Ciò ha reso quasi impossibile giungere ad alcuna conclusione sull'interazione tra atomi e molecole, il che significa che non potevamo stabilire una connessione diretta tra i dati sperimentali della vita reale e i modelli teorici", spiega Koch.