Dagli atomi alle stelle: come la luce rivela il movimento invisibile degli elettroni

    Utilizzando impulsi ultrabrevi, i ricercatori sono riusciti a osservare le oscillazioni elettroniche in laboratorio e a comprendere meglio l'origine quantistica dei segnali luminosi provenienti dai confini dell'Universo.

    Webb riprende la Nebulosa di Orione e l'ammasso del Trapezio, che si estendono per quattro anni luce. Crediti: NASA, ESA, CSA; M. McCaughrean, S. Pearson.
    Webb riprende la Nebulosa di Orione e l'ammasso del Trapezio, che si estendono per quattro anni luce. Crediti: NASA, ESA, CSA; M. McCaughrean, S. Pearson.

    Non molto tempo fa abbiamo discusso di come distinguere una stella da un pianeta, osservando che la loro luce ci appare come un punto lontano; eppure, si tratta di molto altro. Questa luce, che percorre distanze immense, ci fornisce informazioni fondamentali sul corpo celeste.

    Gli astronomi decifrano tali informazioni analizzando lo spettro della luce. Ogni elemento chimico lascia tracce caratteristiche, derivanti da processi quantistici, quando i suoi elettroni assorbono o emettono fotoni.

    Comprendere queste tracce richiede di andare oltre le linee colorate che appaiono in uno spettro; ciò che conta è come un atomo evolve quando interagisce con la radiazione. Un esperimento recente rende ora possibile indagare questa evoluzione elettronica su scale temporali quasi inimmaginabili.

    Una fotocamera (quantistica) per osservarle tutte

    I ricercatori del Max Born Institute di Berlino, in Germania, hanno utilizzato impulsi luminosi della durata di circa 270 attosecondi per studiare atomi ionizzati.

    Un attosecondo corrisponde a un quintilionesimo di secondo, una scala temporale talmente ridotta che, al confronto, persino molti fenomeni molecolari appaiono lenti. La procedura si articola in una sequenza di due impulsi:

    Il primo rimuove un elettrone, portando l'atomo in una combinazione di stati quantistici. Il secondo interviene dopo un ritardo controllato e misura le variazioni nell'assorbimento di luce da parte dello ione.

    Entrambi gli impulsi rientrano nell'intervallo dell'ultravioletto estremo e sono generati mediante una tecnica nota come generazione di armoniche elevate. A differenza di altri approcci sperimentali, questo metodo non richiede un intenso impulso a infrarossi per esaminare gli sviluppi successivi, il che rende i risultati più semplici da interpretare.

    Spettro reale del disco protoplanetario di SZ Chamaeleontis, che mostra le righe del neon rilevate da Webb e Spitzer. Crediti: NASA/ESA.

    Nello xeno, i ricercatori hanno osservato un'oscillazione con un periodo di 3,1 femtosecondi. Analizzando le variazioni nell'assorbimento, sono riusciti a ricostruire i cambiamenti in una distribuzione quantistica associata alla "lacuna" lasciata da un elettrone espulso da un atomo.

    La danza degli spettri (cosmici)

    Il team ha ripetuto queste misurazioni utilizzando diversi gas nobili, scoprendo che ognuno di essi possiede un proprio ritmo unico. Per l'argon sono stati registrati periodi di 23,3 femtosecondi, mentre per il neon il periodo è risultato di 42,9 femtosecondi. Differenze che riflettono i dislivelli energetici tra gli stati elettronici.

    Nel caso del neon, i calcoli hanno rivelato che la distribuzione della lacuna elettronica oscilla tra una forma allungata, simile a un manubrio, e una configurazione ad anello, simile a una ciambella. Non si tratta di un buco fisico, bensì di una descrizione quantistica dell'elettrone assente.

    Queste trasformazioni alterano il modo in cui l'atomo assorbe la radiazione: a determinati livelli energetici il segnale si intensifica, mentre ad altri diminuisce. Tale alternanza offre informazioni sullo stato elettronico che un'immagine convenzionale non sarebbe in grado di rivelare.

    Variazione nella forma della distribuzione elettrone-lacuna, che passa da una configurazione a manubrio a una ad anello. Crediti: Volkov et al.
    Variazione nella forma della distribuzione elettrone-lacuna, che passa da una configurazione a manubrio a una ad anello. Crediti: Volkov et al.

    Sebbene l'esperimento non replichi una stella né ne misuri direttamente l'atmosfera, gli spettri stellari dipendono anch'essi da transizioni tra stati elettronici; ciò ci aiuta a comprendere i meccanismi quantistici che rendono possibile l'interpretazione della luce.

    Dal laboratorio alle stelle

    Nelle nebulose e nelle regioni di gas ionizzato, le righe spettrali di elementi come il neon e l'argon sono utili per studiare la composizione e le condizioni fisiche della materia. Analizzarle richiede una conoscenza precisa dei livelli energetici degli atomi.

    Spettroscopia che separa i componenti di una nebulosa in idrogeno atomico, idrogeno molecolare e polvere. Crediti: NASA/ESA.

    Le misurazioni su scala di attosecondi aggiungono una dimensione diversa: anziché limitarsi a identificare quali energie un sistema assorbe, consentono di studiare come tale sistema evolva dopo essere stato esposto alla luce. Queste informazioni potrebbero arricchire la ricerca futura sui processi rapidi di ionizzazione e trasferimento di carica.

    È tuttavia importante distinguere tra possibilità e scoperta effettiva. Questo lavoro è stato condotto utilizzando gas nobili in condizioni di laboratorio controllate; sebbene gli autori propongano di estendere la tecnica a molecole e solidi, un'applicazione diretta a stelle, nebulose o esopianeti rimane una prospettiva futura.

    Dalla Terra, l'astronomia ricostruisce storie lontane interpretando la luce che riceviamo, mentre in laboratorio la fisica quantistica segue i cambiamenti che avvengono all'interno degli atomi. Entrambi gli approcci convergono sull'idea che comprendere l'Universo significhi comprenderne la luce.

    Riferimento della notizia

    Mikhail Volkov, Evaldas Svirplys, Stefanos Carlström, Serguei Patchkovskii, Misha Yu. Ivanov, Marc J. J. Vrakking & Bernd Schütte. (2026). Table-top all-attosecond transient absorption spectroscopy.