Highly elastic collisions of ultracold asymmetric top molecules in a static electric field

Nelle regioni più fredde dell'universo, dove le temperature scendono così basse che atomi e molecole si muovono con una grazia lenta e sognante, emerge un nuovo e strano mondo della fisica. Qui, il caos disordinato del calore che definisce la nostra esperienza quotidiana lascia il posto a uno stato in cui le particelle si comportano più come onde che come minuscole palle da biliardo. Gli scienziati cercano da tempo di creare questi campioni "ultracold" (ultra-freddi) di molecole complesse, non solo per studiare le molecole stesse, ma per usarle come mattoni per i computer quantistici e per testare le leggi fondamentali della natura. La sfida è sempre stata il fatto che, mentre le molecole semplici possono essere raffreddate, quelle complesse tendono ad attaccarsi tra loro o a reagire chimicamente non appena si avvicinano, distruggendo il delicato campione prima che possa essere studiato. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno bisogno di un modo per far sì che queste molecole rimbalzino l'una sull'altra in modo pulito, come palle di gomma, invece di schiantarsi e frantumarsi. Ciò richiede un delicato equilibrio: le molecole devono interagire abbastanza fortemente da stabilizzarsi in uno stato calmo e ordinato, ma non così fortemente da collidere e scomparire.

Un ricercatore ha ora proposto un metodo per raggiungere questo equilibrio utilizzando un tipo specifico di molecola chiamato ammidi di calcio, o CaNH2. A differenza delle molecole semplici che sembrano manubri, questa molecola ha una forma simile a una piramide asimmetrica, una struttura nota in fisica come "top asimmetrico". Questa insolita forma conferisce alla molecola una caratterità interna unica: due stati che hanno un'energia quasi identica ma proprietà opposte, molto simile a una moneta che può cadere testa o croce. In assenza di influenze esterne, questi due stati sono così vicini che si mescolano naturalmente. Il ricercatore ha scoperto che applicando un campo elettrico costante, era possibile spingere queste molecole in uno stato in cui diventano altamente sensibili l'una all'altra. Questa sensibilità crea una forza a lungo raggio che attira le molecole l'una verso l'altra delicatamente, permettendo loro di collidere e scambiare energia senza incastrarsi o reagire chimicamente.

Il cuore della scoperta risiede nel modo in cui queste molecole si comportano quando vengono preparate in uno stato eccitato specifico e sottoposte a un campo elettrico. Il ricercatore ha calcolato che, quando viene applicato il campo, le molecole sviluppano un forte dipolo elettrico, il che significa che un'estremità diventa leggermente positiva e l'altra leggermente negativa. Questo trasforma le molecole in minuscoli magneti che possono avvertire l'un l'altro da distanza. Fondamentalmente, l'insolita forma della molecola di ammide di calcio crea una barriera invisibile che impedisce alle molecole di avvicinarsi troppo. Anche quando il campo elettrico le attira, questa barriera le respinge proprio prima che possano toccarsi, schermandole efficacemente dalle reazioni chimiche che di solito distruggono i campioni ultracold. Il risultato è uno scenario in cui le molecole collidono elasticamente, rimbalzando l'una sull'altra con alta efficienza, mentre le collisioni distruttive e dissipative sono soppresse da un fattore di mille o più.

Lo studio ha anche rivelato che se il campo elettrico viene aumentato ulteriormente, l'attrazione gentile tra le molecole può diventare sufficientemente forte da legarle in coppie. Queste non sono legami chimici permanenti, ma piuttosto deboli partnership temporanee tenute insieme dal campo elettrico stesso. Il ricercatore ha identificato che queste coppie, composte in totale da otto atomi, formano un nuovo tipo di stato legato che non era mai stato visto in molecole così complesse. Questa scoperta è significativa perché suggerisce che lo stesso meccanismo potrebbe essere utilizzato per creare strutture ancora più complesse, aprendo potenzialmente la porta alla creazione di nuove forme di materia in cui le molecole sono collegate in modi controllati.

Forse il risultato più pratico di questo lavoro è il potenziale per il raffreddamento evaporativo. Nel mondo della fisica ultracold, questa è la tecnica standard utilizzata per raffreddare un gas al suo stato di energia più bassa, un punto noto come degenerazione quantistica. Affinché ciò funzioni, le particelle in un gas devono collidere frequentemente e rimbalzare l'una sull'altra senza perdere energia nell'ambiente. Il ricercatore ha dimostrato che per l'ammide di calcio, il rapporto tra questi rimbalzi utili e gli scontri distruttivi è sufficientemente alto da rendere possibile il raffreddamento evaporativo. Ciò significa che gli scienziati potrebbero prendere un campione di queste molecole che è già stato raffreddato dai laser e usare le collisioni per raffreddarle ulteriormente, raggiungendo temperature in cui si comportano come un'unica entità quantistica.

Il ricercatore non si è limitato all'ammide di calcio; ha applicato i suoi calcoli anche a una molecola simile contenente stronzio, chiamata SrNH2, e ha trovato lo stesso comportamento favorevole. Ciò suggerisce che il metodo non è un caso fortuito specifico di una singola molecola, ma una proprietà generale di un'intera classe di molecole composte da metalli alcalino-terrosi e gruppi ammidici. Lo studio si basa su dettagliate simulazioni al computer per mappare come queste molecole interagiscono, piuttosto che su esperimenti fisici, ma i calcoli sono rigorosi e tengono conto della complessa meccanica quantistica coinvolta. I risultati indicano che con campi elettrici inferiori a un kilovolt per centimetro — una quantità relativamente modesta nel mondo della fisica — gli scienziati potrebbero creare gas stabili e ultracold di queste molecole complesse.

Questo lavoro fornisce una chiara tabella di marcia per il prossimo passo nel campo della chimica ultracold. Dimostrando che queste molecole asimmetriche possono essere stabilizzate contro la perdita pur rimanendo altamente interattive, il ricercatore ha rimosso un grande ostacolo che precedentemente impediva la creazione di gas degeneri quantisticamente di molecole poliatomiche. Se queste previsioni si rivelassero confermate in laboratorio, permetterebbero agli scienziati di creare ensemble di molecole con entropia estremamente bassa, ovvero disordine minimo. Tali campioni sarebbero ideali per simulare materiali complessi, eseguire misurazioni di precisione per cercare nuova fisica oltre la nostra attuale comprensione ed esplorare reazioni chimiche al livello quantistico. La strada dal gas caotico di molecole a un fluido quantistico perfettamente ordinato, un tempo ritenuta impossibile per forme così complesse, ora appare a portata di mano.