A cryogenic apparatus with a rotatable substrate for matrix isolation spectroscopy of BaF in neon crystals down to 3.2 K

Per comprendere il lavoro qui descritto, bisogna innanzitutto afferrare un'idea semplice ma potente della fisica: per vedere la vera natura di una molecola, bisogna impedirle di muoversi. Nel mondo naturale, gli atomi e le molecole sono in costante, frenetica attività, collidendo e ruotando così rapidamente che i loro segnali interni si confondono tra loro. Gli scienziati utilizzano una tecnica chiamata isolamento in matrice per risolvere questo problema. Intrappolano una specifica molecola all'interno di un blocco solido di un gas innocuo e inerte, come il neon, e congelano quel blocco a temperature più fredde dello spazio profondo. In questa gabbia congelata e rigida, la molecola è tenuta perfettamente immobile, permettendo ai ricercatori di studiarne il comportamento con estrema precisione. Questo metodo è particolarmente prezioso per dare la caccia a una proprietà spettrale dell'elettrone chiamata momento di dipolo elettrico. Se questa proprietà esistesse, scuoterebbe la nostra comprensione delle leggi fondamentali dell'universo, ma è così minuscola che richiede l'ambiente più immobile e silenzioso possibile per essere rilevata.

Un team di ricercatori ha costruito un nuovo macchinario progettato specificamente per creare queste gabbie ultra-fredde e congelate per una molecola chiamata monofluoruro di bario. Questa molecola è un candidato ideale per la ricerca perché il suo pesante atomo di bario amplifica i minuscoli effetti che gli scienziati stanno cercando. I ricercatori hanno costruito una sofisticata camera a vuoto che funge da laboratorio per la crescita di questi cristalli. All'interno, utilizzano un laser ad alta potenza per colpire un bersaglio solido di fluoruro di bario, creando una nuvola di atomi e molecole. Questa nuvola viene poi trascinata da un flusso di gas freddo — sia neon che una forma speciale di idrogeno — in una camera dove atterra su una piastra di zaffiro. Questa piastra è raffreddata da un refrigeratore meccanico a uno sbalorditivo 3,2 Kelvin, una temperatura appena sopra lo zero assoluto. A questo freddo estremo, le molecole di gas congelano istantaneamente, formando un cristallo solido che intrappola il monofluoruro di bario al suo interno.

Ciò che rende unico questo apparato è la sua capacità di ruotare il campione congelato senza rompere il vuoto o riscaldarlo. Una volta cresciuto il cristallo, i ricercatori possono ruotare la piastra per farla fronte a diversi strumenti. Possono far passare un laser attraverso il cristallo per vedere quanta luce assorbe, o possono ruotarlo per farlo fronte a uno specchio che raccoglie la luce con cui il cristallo brilla. Questa flessibilità permette loro di studiare lo stesso singolo cristallo in modi multipli, garantendo che le loro misurazioni siano coerenti e non influenzate dalle differenze tra campioni separati. Utilizzando questa configurazione, il team ha prodotto con successo cristalli di neon drogati con monofluoruro di bario e ha confermato che le molecole erano intrappolate e stabili. Quando hanno proiettato una luce laser specifica sul cristallo, le molecole hanno assorbito l'energia e l'hanno poi riemessa sotto forma di bagliore, o fluorescenza. Analizzando questo bagliore, hanno identificato gli stati energetici specifici delle molecole, confermando che l'ambiente del cristallo di neon si comporta in modo molto simile alla fase gassosa, il che è esattamente ciò che serve per misurazioni precise.

I ricercatori hanno anche testato il sistema con un tipo diverso di gas, una forma speciale di idrogeno nota come para-idrogeno. Sebbene il neon abbia funzionato bene, l'idrogeno è teoricamente ancora migliore per questi esperimenti perché è più leggero e interagisce meno con le molecole intrappolate. Il team ha prodotto con successo il monofluoruro di bario utilizzando l'idrogeno come gas di raffreddamento, segnando un importante primo passo verso la crescita di cristalli in questo mezzo superiore. Tuttavia, lo studio ha anche rivelato una sfida che deve essere gestita negli esperimenti futuri. Quando la luce del laser era troppo intensa o il cristallo era estremamente freddo, il segnale luminoso delle molecole svaniva rapidamente. I ricercatori hanno determinato che questo non era un fallimento delle molecole stesse, ma un effetto temporaneo in cui l'intensa luce o il riscaldamento locale causavano l'interruzione momentanea del bagliore delle molecole. Hanno scoperto che questo effetto di sbiadimento diventava più forte al diminuire della temperatura e all'aumentare della potenza del laser.

Oltre al monofluoruro di bario, il team ha notato che il loro laser produceva anche atomi di bario neutri, che erano anch'essi intrappolati nel cristallo e brillavano con il proprio colore distinto. Ciò ha confermato che il processo di bombardamento laser crea un mix di diverse specie, tutte le quali finiscono nel blocco congelato. Misurando la luminosità del bagliore, gli scienziati hanno stimato il numero di molecole di monofluoruro di bario intrappolate nel cristallo, trovando una densità dell'ordine di 5 volte 10 alla potenza di 13 molecole per centimeto quadrato. Questa nuova macchina, con il suo campione ruotabile e la capacità di raggiungere temperature fino a 3,2 Kelvin, fornisce una piattaforma robusta per studi futuri. Dimostra che gli scienziati possono far crescere questi delicati cristalli, controllare il loro ambiente e iniziare il lavoro preciso di sondare il momento di dipolo elettrico dell'elettrone, portandoci più vicini a rispondere a una delle domande più profonde della fisica.