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Ecco come è stato possibile scattare la rarissima foto di un singolo atomo

L'immagine divulgata dal giovane dottorando David Nadlinger dell’Università di Oxford è la prima osservazione diretta di un atomo tramite una comune macchina fotografica. Abbiamo chiesto una spiegazione a un fisico dell'Istituto Italiano di Tecnologia

Di Giuseppe Antonacci
Pubblicato il 15 Feb. 2018 alle 11:30 Aggiornato il 27 Mar. 2018 alle 15:50
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Immagine di copertina
Credit: David Nadlinger / Università di Oxford / EPSRC

L’atomo rappresenta l’unità fondamentale che struttura la materia circostante con una dimensione inferiore al miliardesimo di metro, circa un milione di volte più piccola rispetto allo spessore di un capello.

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Benché l’ottica tradizionale, incluso l’occhio umano, sia limitata a risolvere oggetti di dimensioni pari a qualche frazione di millimetro, nel corso degli ultimi decenni sono stai sviluppati metodi sofisticati volti all’osservazione di atomi e delle particelle da essi costituiti.

Tuttavia, fino ad ora questi metodi sono stati fondamentalmente limitati da una misura indiretta.

Al Cern di Ginevra, ad esempio, dove risiede il più grande acceleratore di particelle al mondo con un diametro pari a 27 chilometri, atomi e particelle viaggiano tramite un complesso sistema di campi magnetici a velocità prossime a quella della luce.

Leggi anche: La prima foto (rarissima) di un singolo atomo

Dalla collisione di questi elementi viene liberata una certa quantità di energia da cui si generano nuove particelle ‘osservate’ tramite l’utilizzo di speciali camere a gas.

Quando atomi e particelle cariche attraversano il gas, questo ne provoca la ionizzazione, cioè trasforma le molecole che incontra in coppie di ioni rivelati tramite elettrodi.

Dalla accurata analisi delle traiettorie delle particelle all’interno della camera ionizzante, esse vengono quindi identificate in maniera univoca.

L’immagine divulgata dal giovane dottorando David Nadlinger dell’Università di Oxford rappresenta una novità poiché è la prima vera osservazione diretta di un atomo singolo, realizzata tramite una comune macchina fotografica digitale.

Ciò che ha permesso l’acquisizione di questo singolare scatto fotografico è stato principalmente un sostanziale aumento del contrasto, parametro gia fondamentale, per esempio, in astronomia: immaginate di dover osservare una stella Y distante anni luce dal nostro sistema solare attraverso un semplice telescopio ottico.

Se questa stella fosse circondata da tante altre stelle vicine, la nostra capacità di distinguere e localizzare il nostro oggetto target sarebbe piuttosto limitata. Al contrario, se la nostra stella fosse isolata e lontana da altre sorgenti luminose, questa apparirebbe come un punto luminoso distinto e quindi ben identificabile.

Immaginate ora che la nostra stella Y sia proprio l’atomo di metallo stronzio incandescente analizzato dal fisico Nadlinger (ovviamente con un fattore di scala infinitesimamente inferiore). Si applica lo stesso principio: maggiore è l’isolamento dell’atomo dalla materia limitrofa, più l’atomo risulta osservabile essendo l’unica sorgente luminosa nello spazio circostante.

Per ricreare le condizioni sperimentali di isolamento ideali per un’osservazione diretta, Nadlinger e colleghi hanno utilizzato una trappola generata da un minimo locale del potenziale elettromagnetico applicato tramite degli elettrodi.

Una volta intrappolato l’atomo e isolato all’interno di una camera sotto vuoto, ovvero in una regione di spazio approssimativamente priva di altra materia, gli scienziati hanno sfruttato il fenomeno della fluorescenza indotto da un fascio laser per trasformare l’atomo in una vera e propria sorgente luminosa: i fotoni di luce provenienti dal fascio laser vengono assorbiti dall’atomo provocando un salto quantico degli elettroni di valenza verso stati energetici più alti.

A questo processo segue un successivo rilassamento degli stessi elettroni verso lo stato di energia più basso (quello fondamentale). Tuttavia, durante questo passaggio, l’atomo rilascia nuovamente energia sotto forma di luce ma di colore diverso rispetto a quella del fascio laser incidente. 

In questo modo, applicando speciali filtri spettrali, l’atomo risulta come una singolare lampadina luminosa (seppure con intensità estremamente bassa) all’interno dello spazio vuoto circostante.

Questo ha permesso a Nadlinger di scattare la foto che ha vinto il primo premio del concorso fotografico scientifico EPSRC, catturata utilizzando una semplice macchina fotografica Canon e applicando un lungo tempo d’esposizione. 

È importante sottolineare che tale fotografia, seppur rappresenti una prima interessante osservazione diretta di un singolo atomo, e’ ancora molto distante dal poterne fornire un’immagine dettagliata della sua struttura particellare costituente.

A tale fine, la risoluzione spaziale necessaria sarebbe ben al di sopra di quella fornita da un semplice obbiettivo fotografico Canon, essendo questo intrinsecamente limitato dal noto principio di diffrazione ottico secondo cui l’immagine di un atomo non potrebbe mai essere diversa da un piccolo puntino luminoso.

Credit: David Nadlinger / Università di Oxford / EPSRC

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