Gli elettroni sono talmente rapidi da risultare, finora, quasi impossibili da “vedere” in movimento. Completano un’oscillazione attorno al nucleo atomico in pochi centinaia di attosecondi (dove un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo), e per questo i classici metodi di osservazione faticano a seguirne la danza frenetica. Ora, un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Chimica e Biochimica dell’Università della California a San Diego (UC San Diego) ha proposto un innovativo metodo sperimentale chiamato diffrazione elettronica a vortice ultrarapido. In sostanza, questo approccio sfrutta un fascio elettronico “a spirale” per riuscire a fotografare — in termini sia di spazio sia di tempo — il rapido movimento elettronico nelle molecole, con una definizione temporale che arriva alla scala dell’attosecondo.
A differenza delle tecniche di diffrazione elettronica tradizionali, il fascio “vorticoso” introdotto dai ricercatori si avvolge su sé stesso, come se fosse un’elica. Questo particolare comportamento permette di acquisire informazioni supplementari sulla posizione e sul moto degli elettroni, riuscendo a distinguere i fenomeni di coerenza elettronica da altri effetti.
Per “coerenza elettronica” si intende lo stato in cui gli elettroni si muovono in modo sincronizzato e armonioso. Nelle molecole, la coerenza può essere facilmente distrutta da vari processi, ma captarne l’esistenza e l’evoluzione è fondamentale per comprendere eventi quantistici come il trasferimento di energia e le reazioni chimiche ultraveloci.
Perché è importante?
La capacità di isolare e registrare con precisione questi fenomeni offre agli scienziati un modo del tutto nuovo di osservare i processi di base della chimica e della fisica. Immaginiamo di poter catturare ogni singolo passo di una reazione chimica: saremmo in grado di capire, per esempio, come gli elettroni si spostano da un atomo all’altro e dove nascono e si interrompono i legami chimici. Non solo: tali informazioni potrebbero permettere di “guidare” le reazioni chimiche, controllandole su scale di tempo finora inaccessibili, con potenziali applicazioni nella sintesi di nuovi materiali, nella biologia molecolare e in ambito tecnologico.
Il lavoro di ricerca
La nuova idea è descritta nello studio pubblicato il 19 febbraio 2025 su Physical Review Letters, firmato da Haowei Wu e Haiwang Yong (entrambi dell’UC San Diego). Lo studio è stato realizzato anche grazie alle risorse di calcolo fornite dal W. M. Keck Laboratory for Integrated Biology, sostenuto dalla W. M. Keck Foundation.
Secondo gli autori, “questa tecnica, con la sua eccezionale sensibilità alle coerenze elettroniche, apre la strada a nuove possibilità di osservazione di fenomeni quantistici ultraveloci nelle molecole e ci avvicina sempre più all’obiettivo di controllare le reazioni chimiche al livello più fondamentale.”
Prospettive future
La capacità di guardare agli elettroni “in diretta” e in tempo reale potrebbe rivoluzionare le modalità con cui interpretiamo la materia e il suo comportamento. Inoltre, potrebbe condurre a scoperte importanti sui materiali avanzati e sui processi di trasferimento di energia che stanno alla base della fotosintesi o di altri meccanismi vitali.
Se riusciremo a rendere operativo e diffuso il metodo di diffrazione elettronica a vortice ultrarapido, potremmo non solo comprendere meglio le dinamiche ultraveloci, ma anche aprire la strada alla progettazione di sistemi chimici e fisici con proprietà nuove e ottimizzate, dalla farmaceutica all’elettronica. L’era dell’osservazione diretta degli elettroni, dunque, sembra appena iniziata, promettendoci grandi sviluppi nel prossimo futuro.
Stefano Camilloni
