Il laser a raggi X svizzero rivela la danza nascosta degli elettroni

Gran parte del comportamento della materia non deriva dall'azione isolata dei singoli elettroni, ma dal modo in cui essi si influenzano a vicenda. Spaziando dai sistemi chimici ai materiali avanzati, le loro interazioni plasmano il modo in cui le molecole si riorganizzano, i materiali conducono o isolano e il modo in cui l'energia fluisce.

In molte tecnologie quantistiche, non da ultimo il calcolo quantistico, le informazioni sono archiviate in delicati schemi di queste interazioni, noti come coerenze. Quando queste coerenze vengono perse, le informazioni spariscono: un processo noto con il nome di decoerenza. Imparare a comprendere e, in ultima analisi, a controllare questi stati fugaci è una delle principali sfide che si trovano ad affrontare le tecnologie quantistiche al giorno d'oggi.

Fino ad ora, sebbene molte tecniche ci consentissero di studiare come si comportano i singoli elettroni, siamo stati per lo più all'oscuro di queste coerenze. Gli scienziati che operano presso il laser ad elettroni liberi SwissFEL dell'Istituto Paul Scherrer PSI e presso il Politecnico Federale di Losanna (EPFL), in collaborazione con l'Istituto Max Planck di Fisica Nucleare in Germania e l'Università di Berna, hanno ora sviluppato un modo per accedere a tali coerenze utilizzando una tecnica nota come miscelazione a quattro onde con raggi X (dall'inglese XFWM: X-ray four-wave mixing).

“Studiamo come gli elettroni danzano tra loro, sia che si tengano per mano sia che danzino da soli”, afferma Gregor Knopp, ricercatore capo presso il Centro per la scienza dei fotoni dell'Istituto Paul Scherrer PSI, che ha guidato lo studio. “Questo ci fornisce una nuova visione dei fenomeni quantistici e può cambiare il modo in cui comprendiamo la materia”.

Come la NMR, ma con i raggi X

Dal punto di vista concettuale, la miscelazione a quattro onde con raggi X è simile alla risonanza magnetica nucleare (NMR), oggi utilizzata quotidianamente negli ospedali per le scansioni con l'imaging a risonanza magnetica (Magnetic Resonance Imaging, MRI). Entrambe le tecniche utilizzano impulsi multipli per creare e leggere le coerenze nella materia.

Il processo di miscelazione a quattro onde è una tecnica già ampiamente consolidata, con l'impiego della luce infrarossa e visibile, il che consente agli scienziati di analizzare come le molecole si muovono, vibrano e interagiscono tra loro, da cui derivano applicazioni pratiche che vanno dalle comunicazioni ottiche all'imaging di campioni biologici.

I raggi X garantiscono lo stesso tipo di forte approccio su una scala ridotta e ci consentono di penetrare nel mondo degli elettroni. “Mentre altri approcci ci dicono come gli atomi o le molecole interagiscono nel complesso tra loro o con l'ambiente circostante, con i raggi X possiamo portare la lente di ingrandimento direttamente sugli elettroni”, afferma Ana Sofia Morillo Candas, prima autrice dell'articolo.

Questa capacità di osservare da vicino le interazioni tra gli elettroni rende possibile fornire spunti completamente nuovi non solo nell'ambito dell'informazione quantistica, ma anche in molti altri settori, ad esempio nel campo delle molecole biologiche o in quello dei materiali per celle solari e batterie.

L'esperimento impossibile

Tuttavia, trasformare questo tipo di esperimento con i raggi X in realtà è rimasta un'impresa quasi impossibile da realizzare fino ad ora, anche decenni dopo che l'esperimento è stato concepito per la prima volta.

Nella miscelazione a quattro onde, tre onde luminose in ingresso interagiscono con la materia per produrre una quarta onda. “In generale, per realizzare la miscelazione a quattro onde, è necessario separare, ritardare e ricombinare diversi fasci di luce”, spiega Morillo Candas. “Questa è un'operazione difficile con i raggi X perché la lunghezza d'onda è così corta che occorre essere incredibilmente precisi”. Detto in parole povere, la sfida di manipolare tre fasci di raggi X equivale a tentare di lanciare tre freccette da un chilometro di distanza e farle conficcare sul bersaglio a pochi nanometri l'una dall'altra.

Ma non è sufficiente essere precisi: il segnale di miscelazione a quattro onde con raggi X che viene generato è anche estremamente debole. Per poterlo osservare, l'esperimento richiede lampi di luce a raggi X estremamente luminosi e ultrabrevi, qualcosa che solo grandi impianti laser a elettroni liberi come lo SwissFEL sono in grado di offrire. “Gli scienziati stanno sognando questo esperimento fin da quando il laser SwissFEL è stato costruito, dieci anni fa”, afferma Knopp.

Una luce nelle tenebre

Il successo si è basato su un espediente preso in prestito dagli esperimenti con la normale luce laser piuttosto che con i raggi X: una piastra di alluminio con quattro piccoli fori. I fasci di raggi X passano attraverso tre fori e, se l'esperimento è coronato da successo, un nuovo segnale a raggi X compare nel quarto foro.

“Dal punto di vista concettuale è una soluzione semplice”, afferma Knopp, che ha esperienza di lavoro con la luce laser ottica. “Se si fanno questi esperimenti con la luce infrarossa o con quella visibile, è così che si fa”. Questo approccio è molto diverso dai precedenti tentativi effettuati con la miscelazione a quattro onde con raggi X, ma a Knopp è sembrato il metodo più ovvio da provare. "Siamo rimasti stupefatti quando abbiamo visto quanto ampio fosse il segnale", aggiunge.

Era notte fonda quando Morillo Candas, all'epoca ricercatrice post-dottorato presso l'Istituto Paul Scherrer PSI, ha visto il segnale nella sala di controllo della stazione sperimentale Maloja presso lo SwissFEL. La ricercatrice ricorda ancora: "Brillava come una luce sullo schermo. A chiunque altro questa sarebbe sembrata una cosa insignificante. Invece noi abbiamo iniziato a fare salti di gioia."

Da un primo segnale ad una tecnologia di imaging tradizionale

Questa prima dimostrazione riuscita della miscelazione a quattro onde con raggi X è stata ottenuta svolgendo l'esperimento in un gas nobile, il neon: un sistema relativamente ben compreso, privo di complesse interazioni tra gli elettroni, il banco di prova ideale per individuare lo sfuggente segnale di miscelazione a quattro onde.

Adesso che la dimostrazione di principio è stata ottenuta, gli scienziati potranno passare a sistemi più complessi. Sia Morillo Candas che Knopp ritengono che la semplicità della loro soluzione la renda, proprio perché semplice, insolitamente solida e che questo ne accelererà l'adozione.

I prossimi passi presso lo SwissFEL consisteranno nello studio di gas più complessi e, successivamente, di liquidi e solidi, dove gli elettroni all'interno delle molecole interagiscono con modalità più articolate.

Ma probabilmente siamo solo agli inizi, per questa tecnica. In futuro, potrebbe essere utilizzata come metodo di imaging che rivela dove si trovano le coerenze e dove si disintegrano all'interno di un materiale o di un dispositivo, in altre parole, dove le informazioni quantistiche sono archiviate e dove vengono perse. Ciò potrebbe fornire ai progettisti idee su come costruire qubit, cioè bit quantistici più stabili e ridurre gli errori nei futuri computer quantistici, conoscenze che oggi semplicemente non sono disponibili.

"Se negli anni ‘60 una persona avesse chiesto 'è possibile eseguire una risonanza magnetica nucleare del mio ginocchio?’, la risposta sarebbe stata 'cosa sta dicendo? 'Ma l'inizio è stato lo stesso: un primo segnale," afferma Knopp. "Questo è lo step in cui ci troviamo adesso. Penso che, se procediamo rapidamente, un giorno la miscelazione a quattro onde con raggi X potrebbe diventare una tecnica convenzionale per l'imaging di minuscoli dispositivi quantistici".