Intrappolamento Molecolare: L'Alluminio Monofluoruro Apre Nuove Frontiere nella Fisica Ultracalda

Un progresso significativo nel panorama della fisica ultracalda è stato segnato dai ricercatori del Dipartimento di Fisica Molecolare presso il Fritz Haber Institute (FHI), che hanno realizzato il primo intrappolamento magneto-ottico di una molecola stabile a guscio chiuso: il monofluoruro di alluminio (AlF). Questa impresa, che ha richiesto quasi otto anni di lavoro meticoloso, inclusi studi spettroscopici e lo sviluppo di tecnologie ultraviolette profonde, sposta i confini di ciò che è tecnologicamente realizzabile nel raffreddamento laser.

Il traguardo raggiunto consiste nel raffreddare e intrappolare selettivamente le molecole di AlF in ben tre distinti livelli quantici rotazionali, una capacità mai dimostrata prima negli esperimenti di raffreddamento laser. Storicamente, l'intrappolamento magneto-ottico (MOT) era limitato a molecole reattive con elettroni spaiati (specie spin-doppietto), che supportano schemi di raffreddamento più semplici. L'AlF, al contrario, possiede uno stato fondamentale di singoletto di spin e un legame chimico eccezionalmente robusto, rendendolo chimicamente inerte rispetto alle controparti precedentemente studiate. Questa stabilità intrinseca è cruciale, poiché le collisioni bimolecolari che porterebbero alla formazione di difluoruro metallico sono endotermiche per oltre 1.0 eV.

Per raggiungere questa impresa, il team ha dovuto superare ostacoli tecnici notevoli, in particolare l'uso di sistemi laser operanti a una lunghezza d'onda di 227.5 nm, la più corta mai impiegata per intrappolare un atomo o una molecola. Ciò ha richiesto l'implementazione di quattro sistemi laser distinti e nuove innovazioni nell'ottica e nella tecnologia laser, rese possibili da una stretta collaborazione tra mondo accademico e industria. L'abilità di sintonizzare le lunghezze d'onda del laser ha permesso al team di passare agilmente tra i tre livelli rotazionali, offrendo una flessibilità senza precedenti nel controllo molecolare.

Sid Wright, a capo del team FHI, ha espresso l'ambizione di poter un giorno intrappolare l'AlF da una sorgente di vapore compatta ed economica, notando che gli esperimenti iniziali indicano che l'AlF mantiene la sua integrità anche dopo collisioni con le pareti del vuoto a temperatura ambiente. Eduardo Padilla, lo studente laureato principale, ha sottolineato che questo successo è il frutto di un grande sforzo collettivo all'interno del Dipartimento di Fisica Molecolare. Questo avanzamento funge da catalizzatore per una nuova era di misurazioni di precisione e simulazioni quantistiche.

L'esistenza di uno stato elettronico metastabile a lunga vita nell'AlF suggerisce la possibilità di raggiungere temperature ancora più basse, spingendo ulteriormente i limiti del regime ultracaldo. Similmente a come l'introduzione degli atomi di metalli alcalino-terrosi ha trasformato la fisica degli atomi freddi, l'intrappolamento dell'AlF apre la strada allo sfruttamento della sua transizione spin-proibita a³Π ← X¹Σ⁺ per studi di spettroscopia di precisione. Le tecniche impiegate, che seguono i primi successi con molecole come SrF, CaF e YO, dimostrano come l'attenzione focalizzata sulla struttura energetica molecolare possa svelare nuove opportunità di controllo della materia.