martedì, 1 Dicembre, 2020

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Zeptosecondo, nuovo record di intervallo temporale rilevato

Un gruppo di ricercatori della Goethe University di Francoforte ha pubblicato i risultati di un nuovo studio su Science. Si tratta della rilevazione dell’intervallo temporale più breve mai misurato, lo zeptosecondo.

Millisecondo, microsecondo, nanosecondo, picosecondo, femtosecondo, attosecondo, zeptosecondo! Sembra di leggere il testo di una seduta spiritica, invece, i termini appena riportati indicano i sottomultipli dell’unità di misura fondamentale del tempo. Una recente ricerca condotta dall’università tedesca Goethe ha permesso di misurare l’unità di tempo più breve in assoluto, siamo nell’ordine di grandezza dello zeptosecondo, ovvero 10-21 secondi, analogamente un millesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo!

La ricerca scientifica e lo zeptosecondo

Lo studio scientifico è stato in grado di raggiungere questo fantastico risultato analizzando il tempo impiegato da una particella leggera per attraversare una molecola di idrogeno (H2). Questo intervallo temporale nell’ordine dello zeptosecondo supera notevolmente la precedente misurazione ottenuta dal premio Nobel per la chimica nel 1999. In quel caso, l’egiziano Ahmed Zewail era stato in grado di rilevare il femtosecondo (milionesimo di miliardesimo di secondo) tramite lo studio degli stati di transizione delle reazioni chimiche.

Il fisico Reinhard Dorner della Goethe University, coadiuvato dai colleghi del laboratorio di fisica delle particelle di Amburgo e dell’istituto Fritz Haber di Berlino, hanno esaminato il processo più breve mai misurato con successo fino ad oggi. Il fenomeno in oggetto consiste nella propagazione della luce all’interno di una molecola. In particolare, i risultati indicano che il fotone impiega circa 247 zeptosecondi per attraversare una molecola di idrogeno.

Rappresentazione schematica della misura dello zeptosecondo.
Rappresentazione schematica della misura dello zeptosecondo. Credit: Sven Grundmann, Goethe University di Francoforte

Nell’immagine appena riportata troviamo una rappresentazione schematica della misura dello zeptosecondo. Il fotone (giallo, proveniente da sinistra) produce onde di elettroni dalla nube di elettroni (cerchio grigio) della molecola di idrogeno (rosso: nucleo), che interferiscono tra loro (schema di interferenza: viola-bianco). Il modello di interferenza è leggermente inclinato a destra, permettendo il calcolo della durata del fotone necessario per passare da un atomo all’altro.

L’esperimento che ha portato allo zeptosecondo

Gli scienziati, per condurre l’esperimento, hanno irradiato una molecola di idrogeno con i raggi X utilizzando la sorgente di luce dell’acceleratore di particelle Petra III. Così facendo, i ricercatori hanno sfruttato l’energia dei raggi X in maniera tale che un fotone fosse in grado di espellere entrambi gli elettroni della molecola di idrogeno. Il comportamento degli elettroni è caratterizzato dal dualismo onda – particella. Perciò, l’espulsione del primo elettrone dalla molecola ha comportato la produzione di onde di elettroni lanciate verso i due atomi di idrogeno, ottenendo così uno schema di interferenza delle onde, fino ad arrivare alla fusione delle stesse (un po’ come accade con un sasso piatto lanciato sulla superficie di un lago). I risultanti modelli di interferenza sono stati analizzati mediante il Cold Target Recoil Ion Momentum Spectrometer (COLTRIMS), microscopio a reazione che rende possibili e visibili i processi di reazione negli atomi e nelle molecole.

Microscopio Coltrims. Credits: space.com
Microscopio Coltrims. Credits: space.com

Uno dei ricercatori coinvolti nella ricerca, Sven Grundmann, ha commentato in poche e semplici parole il traguardo raggiunto:

Poiché conoscevamo l’orientamento spaziale della molecola di idrogeno, abbiamo utilizzato l’interferenza delle due onde elettroniche per calcolare con precisione il momento in cui il fotone ha raggiunto il primo e quando ha raggiunto il secondo atomo di idrogeno. E questo dura fino a 247 zeptosecondi, a seconda di quanto distanti nella molecola i due atomi erano dal punto di vista della luce

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