Late-Time Power Laws in Fluorescence Decays: Quantum Decay or Alternative Mechanisms?
Questo studio analizza i dati di fluorescenza risolta nel tempo di eritrosina B ed eosina Y per dimostrare che i modelli alternativi di statistica e di migrazione di energia non riescono a riprodurre la netta transizione dal decadimento esponenziale a quello a legge di potenza previsto dalla meccanica quantistica, suggerendo che le leggi di potenza osservate nei tempi tardivi possano non originarsi esclusivamente dal decadimento quantistico.
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Nel mondo silenzioso di atomi e molecole, esiste una regola che ha guidato i fisici per oltre un secolo: le cose instabili tendono a scomparire con un ritmo costante e prevedibile. Se si possiede un mucchio di atomi instabili, il numero che rimane dopo un certo tempo segue una curva esponenziale fluida, diminuendo della stessa percentuale ogni secondo. Questo comportamento è così affidabile da sostenere tutto, dal modo in cui datiamo antichi manufatti al modo in cui comprendiamo l'orologio che ticchetta di un elemento radioattivo. Esso presuppone che il passato non conti; un atomo non "ricorda" quanto tempo ha aspettato per decadere, e la sua probabilità di svanire proprio ora è la stessa di un momento fa. Tuttavia, le leggi più profonde della meccanica quantistica, le regole che governano le scale più infinitesimali della realtà, suggeriscono una storia diversa. Queste leggi prevedono che, se si attende abbastanza a lungo, la curva fluida dovrebbe rompersi. Il decadimento dovrebbe rallentare e seguire un modello diverso e più lento, noto come legge di potenza, dove le particelle rimanenti indugiano in un modo che sfida la standard caduta esponenziale. Questo spostamento è una firma fondamentale del mondo quantistico, ma è incredibilmente difficile da vedere perché solitamente accade così tardi e così debolmente da essere sommerso dal rumore.
Un team di ricercatori in Polonia si è recentemente proposto di testare se questa previsione quantistica sia reale o se qualcos'altro la stia imitando. Si sono concentrati su due specifiche molecole di colorante, l'eritrosina B e l'eosina Y, sciolte in acqua e metanolo. Queste molecole sono fluorofori, il che significa che brillano quando colpite dalla luce. Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica altamente sensibile chiamata conteggio di singoli fotoni correlati nel tempo per osservare queste molecole che brillano e svaniscono. Hanno sparato impulsi di luce laser ultra-brevi ai campioni, eccitando le molecole, e poi hanno registrato esattamente quando i fotoni di luce tornavano mentre le molecole tornavano allo stato di riposo. Raccogliendo milioni di questi singoli eventi luminosi, hanno costruito un quadro dettagliato di come la luminosità del bagliore cambiasse nel tempo, estendendosi dall'immediato lampo alla lunghissima coda del decadimento. Il loro obiettivo era vedere se la luce che svaniva seguisse lo strano e lento modello di legge di potenza previsto dalla teoria quantistica, o se il modello fosse in realtà causato da processi chimici più banali.
I ricercatori sapevano che i sistemi chimici complessi spesso producono strani modelli di decadimento che sembrano effetti quantistici ma sono in realtà causati da altre cose. Ad esempio, se una molecola è circondata da un ambiente in mutamento, la sua durata di vita potrebbe variare leggermente da un momento all'altro, creando un mix di tassi di decadimento che può apparire come una legge di potenza. Un'altra possibilità è che le molecole interagiscano tra loro, come quando due molecole eccitate collidono e scambiano energia, creando un bagliore ritardato che svanisce lentamente. Una terza idea riguarda il salto di energia da una molecola all'altra, creando una scia di attività che ritarda il decadimento finale. Il team ha testato queste spiegazioni alternative adattando i propri dati sperimentali a modelli matematici che rappresentano questi comportamenti chimici e statistici. Hanno cercato specificamente se questi modelli potessero riprodurre la netta transizione che vedevano nei dati, dove il bagliore passa da una rapida caduta esponenziale a una lenta coda di legge di potenza. Hanno anche controllato se la forma di questa coda cambiasse a seconda del colore di luce che stavano osservando, una caratteristica che la teoria quantistica prevede debba accadere, ma che i semplici modelli chimici spesso non prevedono.
I risultati sono stati chiari e decisivi. Quando il team ha cercato di spiegare i dati utilizzando modelli basati su statistiche non standard o migrazione di energia, i fit sono stati scarsi. Questi modelli non riuscivano a riprodurre la svolta netta nella curva dove il decadimento cambia velocità. Inoltre, non riuscivano a spiegare perché il modello di legge di potenza apparisse diverso quando i ricercatori osservavano colori di luce differenti; i modelli chimici prevedevano che la forma del decadimento dovesse apparire la stessa indipendentemente dal colore, ma l'esperimento mostrava che non era così. Sebbene i dati siano coerenti con i modelli meccanico-quantistici che prevedono un comportamento di legge di potenza dipendente dalla banda, i ricercatori hanno notato che, per un singolo canale di rilevamento, questi modelli quantistici possono essere essenzialmente indistinguibili da certi modelli di fluorescenza ritardata. Tuttavia, le specifiche parametrizzazioni statistiche ed energetiche qui testate non potevano riprodurre la netta transizione osservata nei dati sperimentali. I ricercatori hanno concluso che il lento svanimento a legge di potenza osservato è probabilmente non un artefatto dovuto al fatto che le molecole si urtano tra loro o all'ambiente che muta. Inve sostituzione, i risultati forniscono ulteriore supporto all'interpretazione delle deviazioni tardive osservate come una manifestazione del decadimento quantistico non esponenziale, confermando che anche in una complessa soluzione liquida, le regole fondamentali della meccanica quantistica possono dettare il modo in cui queste molecole rilasciano la loro energia.
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