Riccardo Faoro ha svolto la sua tesi di dottorato come fellow del progetto europeo Cooperativity in Highly Excited Rydberg Ensembles — Control and Entanglement (COHERENCE) a cui partecipano i due gruppi di ricerca di Orsay, coordinato da Pierre Pillet, e Pisa, coordinato da Ennio Arimondo, autori anch’essi dell’articolo. COHERENCE è un ‘Marie Curie Initial Training Network’ focalizzato sulla creazione e manipolazione di atomi di Rydberg e sulle loro applicazioni. Il giovane dottorando in Fisica, in cotetula tra l’Université Paris-Sud-11, Orsay e l’Università di Pisa, è primo autore di un articolo appena pubblicato sulla prestigiosa rivista “Nature Communications”.
L’articolo, intitolato “Borromean three-body FRET in frozen Rydberg gases”, riporta un risultato importante sul processo fisico conosciuto come ‘Förster resonance energy transfer’ (FRET). Nel FRET quando due molecole, o più in generale due sistemi quantistici, si avvicinano a distanze nanometriche e una delle due (donore) è in uno stato elettronico eccitato, l’energia di eccitazione può trasferirsi all’altra molecola (accettore) se i loro livelli energetici sono vicini. Le applicazioni del FRET più sensazionali si sono avute in bioscienze, riconosciute nel 2008 con il premio Nobel in Chimica.
I ricercatori hanno mostrato che il processo FRET può avvenire anche se ‘donore’ e ‘accettore’ non hanno livelli vicini in energia. L’esperimento ha mostrato che si può supplire a questa mancanza utilizzando un terzo corpo, (atomo, molecola o altro sistema quantistico) che agisce come ‘spettatore’. Alla fine del processo il terzo corpo si trova nel suo stato iniziale, ma con la sua presenza ristabilisce l’efficienza di un processo altrimenti poco probabile. Il meccanismo è chiamato Borromeano perché nel FRET a tre corpi le interazioni fra donore, accettore e spettatore sono interconnesse come i tre anelli del simbolo della famiglia di Francesco Sforza a Milano. Spezzando uno dei tre anelli Borromeani anche gli altri due si separano. Così pure senza la presenza e l’interazione dello spettatore il processo di FRET non avviene
Nel caso della ricerca pubblicata non vengono studiate molecole di interesse biologico, ma atomi di cesio preparati in particolari stati eccitati (di Rydberg). Si tratta di simulazione quantistica, un campo di indagine di vasto interesse al livello mondiale, che si basa sulla universalità delle leggi della fisica. Un processo di natura fondamentale come il FRET può infatti essere verificato su un qualunque sistema quantistico. Atomi di cesio in cui l’elettrone esterno è eccitato a livelli di energia elevati subiscono le stesse forti interazioni interatomiche di molecole biologiche. La varietà di stati atomici accessibili e la loro precisa preparazione attraverso tecniche laser permette di simulare condizioni quantistiche estremamente diverse e verificare la correttezza di previsioni teoriche.
I risultati della ricerca avranno ricadute sia nel campo delle applicazioni, sia nella ricerca fondamentale. Come estensione dell’attuale FRET, la tecnica dei tre corpi permette di ampliare le sue applicazioni a condizioni in cui il processo viene condizionato dalla presenza di un opportuno spettatore, quindi aumentando la risoluzione dell’indagine. Per la ricerca fondamentale si tratta di un nuovo strumento basato su eccitazione laser per la preparazione selettiva, e condizionata, di un qualunque oggetto quantistico, atomo, molecola, nanoparticella.
(Dida foto: da destra Riccardo Faoro, Patrick Cheinet, Pierre Pillet)
mp. 23 sett.
