Per la prima volta, un team di ricercatori del Fritz Haber Institute della Max Planck Society è riuscito a intrappolare una molecola chimicamente stabile in una trappola magneto-ottica, raffreddandola a temperature prossime allo zero assoluto utilizzando luce ultravioletta profonda. La molecola protagonista di questo risultato è il monofluoruro di alluminio (AlF), un composto che appartiene alla categoria dei cosiddetti "spin-singlet" o molecole a "guscio chiuso", notoriamente più complesse da manipolare rispetto alle specie reattive finora raffreddate con tecniche laser.
La difficoltà nel raffreddare molecole chimicamente inerti risiede nella loro struttura elettronica. Il legame chimico particolarmente forte dell'AlF, che conferisce alla molecola la sua stabilità, comporta anche ampi intervalli energetici tra gli stati elettronici. Questo costringe i ricercatori a utilizzare lunghezze d'onda laser sempre più corte, nell'ultravioletto profondo: per l'AlF sono stati necessari quattro sistemi laser operanti a circa 227,5 nanometri, la lunghezza d'onda più breve mai impiegata per intrappolare atomi o molecole. Una sfida tecnologica che ha richiesto innovazioni significative nell'ottica e nella tecnologia laser, rese possibili grazie a strette collaborazioni tra mondo accademico e industria.
Le trappole magneto-ottiche rappresentano da quasi quarant'anni uno strumento fondamentale della fisica quantistica. Combinando fasci laser multipli con campi magnetici opportunamente configurati, questi dispositivi permettono di confinare particelle neutre e raffreddarle fino a temperature dell'ordine del millesimo di grado sopra lo zero Kelvin. A tali temperature estreme, nell'ordine di 10⁻³-10⁻⁶ K, il comportamento quantistico della materia emerge con chiarezza, rivelando fenomeni altrimenti impossibili da osservare. Questa tecnica ha già permesso lo sviluppo di orologi atomici ottici di precisione straordinaria, prototipi di computer quantistici basati su atomi e l'osservazione di nuove fasi della materia.
Estendere queste capacità dalle specie atomiche alle molecole rappresenta un salto di complessità enorme. Poco più di dieci anni fa, i primi successi hanno riguardato molecole diatomiche reattive con elettroni spaiati, chiamate "spin-doublet". L'AlF apre invece scenari completamente nuovi: la sua inerzia chimica, dovuta al legame estremamente forte tra alluminio e fluoro, lo rende molto più resistente alle reazioni indesiderate che potrebbero far perdere particelle durante gli esperimenti. Secondo Sid Wright, che dal 2020 coordina il progetto presso il Fritz Haber Institute, il sogno sarebbe intrappolare AlF da una sorgente di vapore compatta ed economica, simile a quelle utilizzate per gli atomi alcalini.
Un aspetto particolarmente innovativo riguarda la possibilità di intrappolare l'AlF in tre diversi livelli rotazionali quantistici, semplicemente regolando finemente le lunghezze d'onda laser. Questa caratteristica distingue nettamente il monofluoruro di alluminio dalle altre molecole raffreddate finora, per le quali l'intrappolamento è limitato a un singolo livello rotazionale e l'estensione ad altri risulta estremamente problematica. I ricercatori prevedono che livelli rotazionali ancora più elevati potrebbero essere accessibili utilizzando sorgenti molecolari diverse da quelle attualmente impiegate.
Il percorso verso questo traguardo è stato lungo e complesso. Eduardo Padilla, dottorando e primo autore dello studio pubblicato su Physical Review Letters, sottolinea come siano stati necessari quasi otto anni di lavoro continuo: inizialmente dedicati allo studio dettagliato delle proprietà spettroscopiche dell'AlF, poi allo sviluppo e test della tecnologia ultravioletta profonda per la trappola, infine alla realizzazione vera e propria del rallentamento laser e dell'intrappolamento magneto-ottico. Il risultato rappresenta uno sforzo collettivo reso possibile dall'ambiente di ricerca, dal supporto tecnico e dalle risorse del Dipartimento di Fisica Molecolare dell'istituto tedesco.
Le implicazioni scientifiche di questo risultato si estendono in diverse direzioni. L'AlF ultrafreddo permetterà nuove misurazioni di precisione e forme avanzate di controllo quantistico delle molecole, aprendo prospettive per la simulazione quantistica con sistemi molecolari. Un elemento particolarmente promettente riguarda la presenza nell'AlF di uno stato elettronico metastabile di lunga durata, nel quale gli spin elettronici si combinano formando un cosiddetto "spin-triplet". Questo stato può essere raggiunto dallo stato fondamentale mediante un'altra transizione ultravioletta, offrendo potenzialmente la possibilità di raggiungere temperature ancora più basse e aprendo nuovi capitoli nella fisica molecolare ultrafredda.
La stabilità chimica dell'AlF potrebbe inoltre facilitarne la produzione in laboratorio con elevata efficienza, un vantaggio pratico non trascurabile per futuri esperimenti. Le osservazioni preliminari secondo cui le molecole di AlF possono sopravvivere e persino termalizzare dopo collisioni con le pareti del vuoto a temperatura ambiente rappresentano una caratteristica inedita e altamente promettente, che potrebbe semplificare significativamente la progettazione di esperimenti futuri e l'integrazione di queste molecole ultrafredde in dispositivi quantistici più complessi.
