Gli scienziati hanno osservano per la prima volta il nucleo di un atomo cambiare stato in tempo reale
Studiare il nucleo degli atomi non è mai stato semplice. Eppure, ora sappiamo come e quando cambia stato.
Il nucleo di un atomo è come il cuore invisibile della materia: piccolissimo, ma capace di concentrare quasi tutta la massa dell’atomo. Pur occupando uno spazio minuscolo rispetto al resto, racchiude una forza immensa.
È formato da protoni e neutroni, che stanno insieme grazie all’interazione forte, una delle quattro forze fondamentali della natura. Questa forza è talmente potente da vincere la repulsione elettrica tra i protoni, tutti carichi positivamente.
La stabilità del nucleo non è sempre garantita: alcuni nuclei sono instabili e tendono a trasformarsi, dando origine a fenomeni come la radioattività. È proprio da queste trasformazioni che arrivano segnali preziosi per la scienza e applicazioni tecnologiche importanti.
Studiare il nucleo atomico significa guardare dentro le fondamenta della materia. Da lì si capisce come funzionano le stelle, come si sprigiona l’energia nucleare e, in fondo, da dove viene gran parte di ciò che compone l’universo.
Un cambio…di stato!
Il nucleo di un atomo è sempre stato considerato una sorta di “fortezza” inaccessibile, difficile da osservare direttamente. Per anni la fisica ha dovuto accontentarsi di studiarne le proprietà in maniera indiretta, attraverso esperimenti complessi o modelli teorici. Eppure, ogni tanto, la tecnologia fa un salto che cambia le carte in tavola.
Di recente, un gruppo di ricercatori ha compiuto un passo che sembra uscito quasi da un racconto di fantascienza: sono riusciti a vedere in tempo reale il comportamento dello spin di un singolo nucleo atomico. Non una simulazione o una deduzione, ma una lettura diretta e precisa, con la possibilità di seguire le oscillazioni magnetiche del cuore dell’atomo mentre avvenivano.
Una scoperta molto importante
L’impresa è stata realizzata alla Delft University of Technology grazie all’uso di un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM), uno strumento in grado di “toccare” i singoli atomi con una punta ultra-sottile. Poiché il nucleo non può essere misurato in maniera diretta, i fisici hanno sfruttato l’interazione iperfine tra lo spin elettronico e quello nucleare. In pratica, leggendo i segnali degli elettroni è stato possibile capire lo stato del nucleo. Il risultato è stato sorprendente: lo spin nucleare è rimasto stabile per circa 5 secondi, un’eternità se confrontata con i pochi nanosecondi degli elettroni. Questo ha permesso di raggiungere il cosiddetto single-shot readout, cioè la capacità di registrare lo stato del nucleo in un solo colpo, senza disturbarlo.
La scoperta, pubblicata su Nature Communications, si è concentrata su un singolo atomo di titanio-49 (^49Ti) posato su una superficie e osservato con spettroscopia ESR. Grazie a un sistema di misurazioni a impulsi, i ricercatori hanno potuto seguire i processi di pompaggio e rilassamento dello spin, supportati da calcoli teorici. La possibilità di controllare e leggere i nuclei a questo livello apre prospettive enormi: dai futuri qubit stabili assemblati atomo per atomo, a sensori quantistici con sensibilità senza precedenti, fino a nuove simulazioni quantistiche su scala mai immaginata.