Lettere atomiche

Tutti i giorni scriviamo su fogli di carta, niente di strano. Ma per Carlos Stroud (http://www.optics.rochester.edu:8080/faculty/stroudnew.html) della University of Rochester, e Michael Noel della University of Virginia, un foglio di carta è uno spazio fin troppo illimitato e sostengono che è possibile scrivere addirittura su un singolo atomo. E, numeri alla mano, hanno descritto in un articolo apparso su Optics and Photonics News come si potrebbe fare.

A Carlos Stroud l’idea aveva cominciato ad attraversare la mente qualche anno fa, quando aveva visto un’immagine prodotta nei laboratori della Ibm di Zurigo dove i ricercatori avevano composto le lettere I, B e M deponendo alcuni atomi di xenon su uno strato di nichel. Perché fermarsi lì? Perché non tentare di rimpicciolire ancora le lettere fino a scrivere su un singolo atomo, un oggetto così piccolo che sulla punta di uno spillo ce ne stanno mille miliardi di miliardi? Ma per Stroud e Noel le dimensioni non devono essere un problema. I due fisici hanno proposto un sistema per controllare con impulsi laser il comportamento degli elettroni degli atomi di idrogeno. Hanno simulato al computer gli effetti della loro tecnica, in modo tale da far comparire la parola OPTICS. Ma bisogna intendersi su cosa significa “scrivere su un atomo”.

Per capirlo, è prima necessario inoltrarsi nel mondo microscopico fino a entrare dentro un atomo, dove valgono le leggi fisiche che vanno sotto il nome di meccanica quantistica. A noi, abituati al mondo macroscopico, queste leggi appaiono strane, ma nel mondo degli atomi sono queste a comandare. Un atomo è composto da un nucleo (un piccolo nocciolo pesante) e da elettroni (molto leggeri) che gli ruotano intorno. Un primo modo di immaginare un atomo è pensare a una cipolla: il cuore rappresenta il nucleo, mentre gli elettroni si trovano sui diversi strati, un po’ come i gusci che compongono l’ortaggio. Se forniamo energia all’atomo, gli elettroni possono spostarsi su gusci più esterni fino a staccarsi del tutto dall’atomo quando l’energia fornita è sufficiente.

Questo comportamento si dice “quantistico” perché i livelli energetici (le distanze dei diversi gusci dal centro) assumono solo certi valori discreti, “quantizzati” appunto, e gli elettroni non possono stare tra un guscio e un altro: devono vivere necessariamente su uno degli strati. Un’altra strana regola della meccanica quantistica è che si può guardare dentro la cipolla, ma solo con certi limiti. Per esempio, i fisici non sanno esattamente dove si trovino gli elettroni: sanno che sono nella cipolla, ma possono solo stabilire con quale probabilità un elettrone sia su uno strato piuttosto che su un altro, come se gli elettroni si nascondessero. Si possono solo immaginare delle “nuvole elettroniche”, insomma, che avvolgono il nucleo.

Ma non è finita. Per completare il quadro c’è bisogno anche di un secondo modello dell’atomo. Consiste nel vedere gli elettroni come delle onde che si trovano sparpagliate intorno al piccolo nucleo. Il fatto emozionante, almeno per i fisici, è che i due modi di vedere le cose sono entrambi necessari: gli esperimenti dimostrano che gli elettroni si comportano sia come particelle che come onde. Cosa c’entra tutto questo con la possibilità di scrivere su un atomo?

La tecnica sviluppata da Stroud e Noel è la seguente: la combinazione di due fasci di luce laser fornisce energia affinché un elettrone si sposti su un guscio molto esterno, lontano dagli altri. In questo modo si ottengono elettroni che fanno ancora parte dell’atomo, ma sono praticamente isolati. Si comportano come un’onda molto concentrata, una sorta di pacchetto che gira intorno al nucleo, a grande distanza da esso. Ed ecco il punto chiave: quest’onda isolata si può controllare. Infatti quando diverse onde si incontrano, si mescolano e si fondono tra loro. E’ un fenomeno noto come interferenza, e scegliendo opportunamente le onde da miscelare, ne può risultare un disegno prestabilito e prevedibile. Per esempio una lettera o un’intera parola. Ecco in che modo i due scienziati ritengono possibile scrivere sulla superficie degli atomi. Sul computer funziona. Ora rimane da vedere se qualcuno avrà voglia di provarci anche in laboratorio.

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