La produzione di molecole ultrafredde rappresenta una frontiera cruciale per comprendere i fenomeni che governano la materia a scale microscopiche. Un gruppo di ricerca guidato da Hanns-Christoph Nägerl presso l'Università di Innsbruck ha raggiunto un traguardo finora sfuggente: la creazione delle prime molecole di potassio-cesio (KCs) ultrafredde nel loro stato fondamentale assoluto, colmando un'importante lacuna nella tavola delle combinazioni molecolari possibili a temperature prossime allo zero assoluto. Il risultato, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, apre nuove prospettive per lo studio sperimentale dei materiali quantistici attraverso sistemi modello controllabili.
La sfida principale di questo lavoro risiede nella complessità intrinseca di raffreddare simultaneamente due elementi diversi. Come spiega Charly Beulenkamp, uno dei primi autori dello studio, "Potassio e cesio sono stati gli ultimi elementi alcalini a raggiungere la condensazione di Bose-Einstein individualmente, il che indica quanto siano difficili da controllare. Raffreddarli contemporaneamente rappresenta una sfida di livello completamente diverso." La tecnica richiede innanzitutto la preparazione di nubi atomiche di potassio e cesio raffreddate quasi allo zero assoluto, un processo che è diventato standard per singoli elementi ma che presenta ostacoli formidabili quando applicato a miscele.
Il processo di sintesi molecolare quantistica si articola in due fasi distinte. Nella prima, chiamata magneto-associazione, gli atomi vicini dei due elementi vengono trasformati in coppie legate attraverso la variazione controllata di un campo magnetico esterno fino a un punto di risonanza. Queste coppie iniziali, tuttavia, sono legate solo debolmente e potrebbero facilmente dissociarsi. La vera svolta avviene nella seconda fase: il trasferimento delle molecole nel loro stato fondamentale assoluto, ovvero la configurazione con l'energia più bassa tra tutti gli stati possibili per quella particolare molecola, che conferisce stabilità chimica permanente.
Come illustra Krzysztof Zamarski, altro primo autore della ricerca, questo trasferimento non può avvenire attraverso una transizione diretta con luce laser accordata alla frequenza appropriata, poiché tale passaggio è quantisticamente proibito. I ricercatori hanno dovuto identificare uno stato intermedio che funzionasse da pivot, un compito paragonabile a individuare un minuscolo punto d'appoggio nascosto. La difficoltà tecnica di questa operazione spiega perché il KCs sia rimasto a lungo l'unica combinazione mancante tra gli elementi alcalini nella tavola delle molecole ultrafredde già prodotte.
Sebbene la sintesi molecolare quantistica produca solo poche migliaia di molecole per volta—rendendo improbabile una sostituzione della chimica convenzionale nel breve termine—le applicazioni scientifiche sono estremamente promettenti. Le molecole composte da due elementi diversi possiedono un grande momento di dipolo elettrico, che consente loro di interagire a lunghe distanze, imitando il comportamento degli elettroni nei sistemi allo stato solido. Questa caratteristica, combinata con le temperature ultrabasse che permettono di intrappolarle con fasci laser e manipolarle con precisione, trasforma questi sistemi in simulatori quantistici ideali.
L'obiettivo principale di questa linea di ricerca è comprendere fenomeni esotici come la superconduttività, che rimangono difficili da descrivere teoricamente a causa dell'enorme numero di particelle coinvolte e complicati da studiare sperimentalmente per le scale di lunghezza ridottissime e le imperfezioni dei materiali reali. Nägerl sottolinea che "intrappolare molecole in geometrie che assomigliano a cristalli reali ci offre l'opportunità di osservare direttamente la dinamica quantistica che governa materiali esotici", incarnando l'idea alla base delle simulazioni quantistiche sperimentali.
Il controllo raggiunto dal team austriaco sulle molecole di KCs apre scenari inediti per investigare interazioni quantistiche complesse in condizioni controllate, fungendo da banco di prova per teorie sulla materia condensata che altrimenti rimarrebbero confinate al dominio delle astrazioni matematiche.