Gli elettroni che compongono un atomo non occupano una posizione ben definita: sono descritti da una funzione d’onda, cioè da una mappa di probabilità che descrive dove è più probabile trovarli e come si muovono. Negli orbitali molecolari – l’unione delle funzioni d’onda degli elettroni di una molecola – questa informazione è cruciale: descrive come una molecola assorbe luce, interagisce con l’ambiente e prende parte alle reazioni chimiche.

Un team di ricercatori guidato dall’Università di Gottinga (Germania) ha ricostruito per la prima volta la funzione d’onda di una molecola organica nanometrica in tre dimensioni. Lo studio, al quale hanno preso parte anche Fabio Frassetto e Luca Poletto del Cnr-Ifn (l’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr di Padova) e pubblicato lo scorso giugno su Nature Communications, è stato realizzato attraverso la tecnica della tomografia orbitale da fotoemissione: quando la luce colpisce la molecola in esame, questa emette elettroni e, misurandone la quantità di moto, i ricercatori hanno ricavato informazioni su una parte della funzione d’onda, mentre la parte mancante è stata ricostruita attraverso algoritmi matematici.

Gli autori dello studio hanno utilizzato una tecnica di spettroscopia fotoelettronica all’avanguardia, avvalendosi di una sorgente di raggi X morbidi (a sinistra) in grado di fornire impulsi luminosi ultrabrevi, combinata con potenti algoritmi matematici, per rappresentare graficamente la funzione d’onda degli orbitali elettronici (a destra). Crediti: Lukas Kroll

L’idea alla base non è nuova: una prima dimostrazione sperimentale della ricostruzione di orbitali molecolari risale al 2009, e negli anni successivi la tecnica è stata estesa al 3D, ma con un costo sperimentale molto elevato, spesso legato all’uso di sincrotroni di grandi dimensioni. «Abbiamo introdotto due nuovi concetti di grande efficacia. Innanzitutto, riprogettando da zero l’algoritmo informatico, è ora possibile ottenere immagini 3D affidabili con una quantità molto minore di dati sperimentali. In secondo luogo, l’esperimento si basa su una potente sorgente di raggi X morbidi che fornisce impulsi luminosi ultrabrevi», spiega uno dei coautori, Matthijs Jansen, dell’Università di Gottinga. «È proprio la combinazione di queste due tecniche a determinarne il notevole impatto».

L’immagine pubblicata non è una fotografia nel senso classico del termine, come quelle scattate con una fotocamera, ma una visualizzazione che mostra in modo probabilistico dove l’elettrone può trovarsi, ricostruita combinando misure sperimentali e algoritmi matematici. È più simile a una “radiografia matematica” che a uno scatto fotografico tradizionale, dal momento che non è possibile vedere in maniera diretta gli elettroni. In altre parole, la mappa tridimensionale della funzione d’onda ottenuta tramite i dati raccolti e l’algoritmo di ricostruzione assomiglia a una foto in 3D, ma è in realtà un’immagine calcolata che condensa in forma visiva le informazioni quantistiche accessibili solo in modo indiretto.

a) I dati grezzi delle misurazioni, visualizzati come una nuvola di “voxel” (pixel 3D) semitrasparenti disposti su gusci emisferici. Le sezioni trasversali mostrano come solo una frazione dei pixel nello spazio di quantità di moto contenga dati di misura, mentre la maggior parte dei pixel sia priva di dati; b) e c) Immagini tridimensionali della funzione d’onda, che mostrano l’orbitale molecolare occupato più alto di una molecola di Ptcda, sostanza spesso utilizzata per la produzione di coloranti grazie alla sua forte interazione con la luce. Ognuna delle due immagini mostra sia la rappresentazione tridimensionale che le sezioni trasversali dell’orbitale a 1 Å (un decimiliardesimo di metro) di distanza dal centro della molecola. Crediti: Bennecke et al., 2026, Nature Communications

«Questa tecnica potrebbe far diventare realtà la videografia stroboscopica», conclude la prima autrice dello studio, Wiebke Bennecke, dell’Università di Gottinga, «consentendoci non solo di osservare la forma delle funzioni d’onda, ma anche di vedere come essa cambi con una risoluzione ultraveloce, persino dell’ordine dei femtosecondi, ovvero un milionesimo di miliardesimo di secondo. Ciò permetterà di comprendere come una molecola si adatti a variazioni ottiche, elettroniche o chimiche e di trovare nuovi modi per controllare queste interazioni a livello di pochi atomi».

Per saperne di più: 

• Leggi su Nature Communications l’articolo “Table-top three-dimensional photoemission orbital tomography with a femtosecond extreme ultraviolet light source ” di Wiebke Bennecke, Thi Lan Dinh, Jan Philipp Bange, David Schmitt, Marco Merboldt, Lennart Weinhagen, Bent van Wingerden, Fabio Frassetto, Luca Poletto, Marcel Reutzel, Daniel Steil, D. Russell Luke, Stefan Mathias  e G. S. Matthijs Jansen

Uno studio prodotto dall’Università di Ottawa e dal Max Planck Institute for the Science of Light (Mpl, Germania) ha trovato una modalità ecologica per produrre fotoni in stato di entanglement quantistico attraverso la luce solare. L’articolo che riporta il risultato, pubblicato il 6 agosto, è disponibile su Optica.

Grazie a un nuovo concentratore solare a forma di cono, un team guidato dall’Università di Ottawa (Canada) e dal Max Planck Institute for the Science of Light (Mpl, Germania) ha  dimostrato che la luce solare può essere utilizzata per generare fotoni in stato di entanglement. Ciò potrebbe un giorno consentire ai satelliti di generare chiavi di crittografia sicure sfruttando la luce solare. Crediti: Florian Sterl and Soledad Cook

L’avvento delle tecnologie quantistiche su larga scala sta rendendo disponibili supercomputer e calcolatori molto potenti, ma che richiedono una notevole quantità di energia: a oggi il settore globale dell’informazione e della comunicazione produce tra l’1,8 e il 3,9 per cento delle emissioni di gas serra e, con la continua crescita del traffico di dati globale, il bilancio energetico sarà sempre più aggravato. Parte di questo consumo deriverà dall’energia necessaria per preparare e controllare i sistemi quantistici: i processori a superconduttori, ad esempio, richiedonosistemi criogenici che consumano, per ogni unità, fino a 10 kilowatt per mantenere temperature prossime allo zero assoluto. Nelle tecnologie quantistiche basate sulla luce lo scoglio energetico è invece rappresentato dai laser. I laser commerciali sono estremamente inefficienti: assorbono watt di potenza elettrica per produrre solo pochi milliwatt di potenza ottica, sprecando enormi quantità di energia sotto forma di calore o per stabilizzare lo spettro e la temperatura del raggio.

L’entanglement quantistico è il fenomeno per cui lo stato quantistico di una particella, come il fotone, non può essere descritto indipendentemente dallo stato delle altre particelle del gruppo in cui si trova, Questo significa che le particelle sono correlate nelle loro misure di quantità fisiche come posizione, momento, spin e polarizzazione. L’entanglement quantistico è uno dei principali indicatori di disparità tra fisica classica e fisica quantistica, in quanto viola il principio di località: due particelle possono essere correlate anche se si trovano a grande distanza l’una dall’altra.

I fotoni entangled sono una risorsa fondamentale per la comunicazione, l’informatica e il rilevamento quantistici e trovano spazio in applicazioni come reti di comunicazione crittografate ultrasicure e sensori di altissima precisione.

Per creare queste coppie di fotoni, gli scienziati utilizzano un processo ottico non lineare chiamato conversione parametrica verso il basso spontanea (Spdc). In questo processo, le particelle di luce provenienti da un raggio “pompa” colpiscono un cristallo non lineare e al loro interno vengono convertite in coppie di fotoni entangled. Tradizionalmente, i laser sono sempre stati considerati indispensabili per fungere da sorgente di pompa, a causa della loro altissima coerenza ottica. Fino a poco tempo fa si pensava infatti che la natura iper-precisa e ordinata (coerente) del raggio laser fosse un requisito fondamentale per riuscire a generare un entanglement di alta qualità. Inoltre, si presumeva che i laser fossero le uniche sorgenti luminose in grado di fornire le densità di potenza ottica necessarie per guidare in modo efficiente i processi ottici non lineari.

La luce solare è invece incoerente e molto meno intensa della luce laser. A causa di queste caratteristiche, molti scienziati avevano scartato la luce solare come sorgente di pompaggio valida per la generazione di entanglement. Gli autori del nuovo studio pubblicato su Optica hanno però dimostrato per la prima volta che, contrariamente alla visione scientifica precedente, è possibile generare fotoni entangled a partire dalla luce solare.

In ottica, la coerenza non è una proprietà unica e globale. La luce possiede diverse caratteristiche fisiche e può presentarsi perfettamente ordinata in una, pur restando caotica in un’altra. Ad esempio, un fascio di luce può essere disordinato nel modo in cui si propaga nello spazio e nel tempo, ma possedere una polarizzazione perfettamente definita. Nel processo di generazione dei fotoni, il disordine del raggio di partenza limita l’entanglement solo se si cerca di crearlo proprio in quella specifica caratteristica disordinata. Ma se l’obiettivo è ottenere fotoni entangled nella loro polarizzazione, la componente spaziale della luce solare non ha importanza.

«Finché il fascio di pompaggio è perfettamente polarizzato, la sua incoerenza spaziale o temporale non dovrebbe precludere la generazione di entanglement di polarizzazione», spiega Cheng Li, ricercatore al’Università di Ottawa e primo autore dello studio. «Il segreto per sfruttare la luce solare consiste nell’impedire che le diverse proprietà della luce si influenzino a vicenda durante il processo. Ciò significa che la luce solare è perfettamente in grado di generare fotoni intrecciati, purché si riesca a concentrarne una quantità sufficiente all’interno del cristallo non lineare per indurre l’Spdc».

La superficie utile di un cristallo ottico non lineare (es. il ppKtp) si estende in genere solo per pochi millimetri. Per convogliare una quantità sufficiente di luce solare – che nell’ambiente naturale diverge ampiamente – in una regione così ristretta, il gruppo di Hanieh Fattahi, responsabile del gruppo di ricerca presso l’Mpl, ha realizzato un sistema di concentrazione della luce solare. Questo sistema raccoglie la radiazione su una superficie di 1,4 metri quadrati e la convoglia in una fibra sottile quanto un capello umano. Il cuore di questo sistema è un concentratore solare sviluppato e realizzato internamente presso l’università tedesca. Si tratta di un dispositivo a forma di cono realizzato in vetro. La base del cono è posizionata nel punto focale di una grande lente di Fresnel, montata su un motore di inseguimento solare. La luce solare focalizzata viene quindi ulteriormente concentrata tramite riflessioni interne totali mentre si propaga verso la punta del cono, che accoppia la luce solare in una fibra multimodale. La fibra può quindi guidare la luce solare in un cristallo non lineare per indurre la generazione di entanglement tramite Spdc. Come previsto dal team guidato da Robert Boyd (Università di Ottawa), coautore dello studio, l’Spdc alimentato dalla luce solare ha generato coppie di fotoni con un grado di entanglement molto elevato: con una fedeltà di quasi il 94 per cento, questo risultato si avvicina molto alle prestazioni di un laser. I fotoni Spdc mostrano inoltre correlazioni in grado di violare una soglia matematica fondamentale: la disuguaglianza di Bell, indicando che la connessione tra le particelle non può essere modellata con le teorie classiche della fisica e sono effettivamente caratteristiche dell’entanglement quantistico.

Illustrazione concettuale della configurazione sperimentale per la generazione di entanglement quantistico dalla luce solare. La configurazione è costituita da un modulo di concentrazione della luce solare e da una sorgente di fotoni entangled. Il modulo di concentrazione della luce solare accoppia la luce solare filtrata spettralmente in una fibra multimodale utilizzando una combinazione di una lente di Fresnel e un concentratore in vetro. La sorgente di fotoni entangled è un cristallo di ppKtp collocato all’interno di un interferometro di Sagnac a polarizzazione. La luce solare accoppiata alla fibra viene diretta nel cristallo per indurre la Spdc. Le correlazioni tra le coppie di fotoni generate vengono quindi misurate per la successiva caratterizzazione degli stati quantistici. Crediti: L. Chen et al., Optica, 2026

Il team ha inoltre scoperto che, quando il tasso di produzione dei fotoni viene normalizzato rispetto alla potenza di pompaggio e alla larghezza di banda effettiva del processo non lineare, l’efficienza della generazione di entanglement indotta dalla luce solare è pari a quella indotta dal laser. Questa scoperta suggerisce che i laser potrebbero non presentare tutti i vantaggi fondamentali rispetto alla luce solare come ipotizzato dai ricercatori, e che sorgenti di luce quantistica pratiche alimentate dalla luce solare possano diventare sempre più realizzabili attraverso ottimizzazioni tecniche, ad esempio, della raccolta della luce solare e dell’utilizzo della larghezza di banda.

«La luce solare è una risorsa abbondante e affidabile in molti ambienti, specialmente nello spazio. La capacità di generare fotoni quantisticamente intrecciati direttamente dalla luce solare, osserva Fattahi, «potrebbe consentire la realizzazione di sistemi quantistici più semplici e resilienti per i satelliti e le future missioni nello spazio profondo».

I dispositivi quantistici alimentati dalla luce solare offrono anche altri vantaggi che i laser non sono in grado di garantire. L’ampio spettro della luce solare potrebbe consentire l’accesso a fotoni entangled su una gamma più ampia di lunghezze d’onda, specialmente laddove i laser non sono disponibili. Ancora più importante, l’alimentazione diretta delle sorgenti di luce quantistica tramite la luce solare elimina completamente la conversione da elettrica a ottica: non è necessaria alcuna stabilizzazione attiva e il calore residuo da gestire è notevolmente inferiore. Un sistema di questo tipo presenterà un minor numero di potenziali punti di guasto. Questa caratteristica è particolarmente interessante per l’impiego in ambienti strategicamente importanti ma con risorse limitate, come a bordo dei satelliti, nelle sonde per missioni interplanetarie e in regioni remote come l’Artico. Un veicolo spaziale in orbita sincrona con il Sole, ad esempio, godrebbe di un accesso quasi ininterrotto alla propria fonte di pompaggio.

«La parte migliore di questa ricerca è che si tratta solo di un inizio», conclude Boyd. «Oltre all’Spdc, esistono molti altri approcci ottici non lineari per generare fotoni intrecciati: la miscelazione a quattro onde ne è un ottimo esempio. Per ciascuna di queste interazioni non lineari, esistono modi per renderle più efficienti. Riteniamo che questo lavoro possa ispirare numerose nuove ricerche nell’ottica non lineare e quantistica, e che tali ricerche possano a loro volta rendere più praticabile la tecnologia quantistica alimentata dalla luce solare».

Per saperne di più: 

• Leggi su Optica l’articolo “Generating quantum entanglement from sunlight” di Cheng Li, Jasvinder Brar, Michael Küblböck, Jeremy Upham, Hanieh Fattahi e Robert W. Boyd