La luce splendente su una goccia d'acqua crea effetti analoghi a ciò che accade in un atomo. Questo può aiutarci a capire come funzionano gli atomi
Se sussurri vicino al muro della cupola della Cattedrale di St Paul a Londra, scoprirai che il suono rimbalza sulle pareti della cupola tutt'intorno ed è udibile dal lato opposto. Ecco perché la cupola della cattedrale è stata soprannominata “la galleria dei sussurri”.
Lo stesso effetto si ottiene quando un raggio di luce viene proiettato su una goccia d'acqua. I raggi di luce rimbalzano ripetutamente sulla parete interna della gocciolina d'acqua, girando e rigirando all'interno della gocciolina. Quando la sua circonferenza è un multiplo della lunghezza d'onda della luce, si verifica un fenomeno di risonanza, proprio come il suono all'interno della cupola della cattedrale, che fa risplendere la goccia più luminosa.
La gocciolina lampeggia
«Nei nostri esperimenti con la luce laser, abbiamo potuto vedere che la luce è intrappolata all'interno della goccia d'acqua. Quando la gocciolina si restringe a causa dell'evaporazione, sembra lampeggiare ogni volta che la sua dimensione è giusta per creare il fenomeno della risonanza», afferma il dottor Javier Tello Marmolejo (1), studente di dottorato in fisica presso l'Università di Göteborg, autore principale di un nuovo studio pubblicato su Physical Review Letters. (2)
Grazie a una tecnica di pinzette ottiche vincitrice del premio Nobel, i ricercatori possono intrappolare una goccia d'acqua usando raggi laser che la colpiscono da due direzioni. Il raggio laser viene rifratto nella goccia d'acqua e si disperde, intrappolando la luce all'interno.
Non è possibile modificare le dimensioni della cupola nella Cattedrale di St. Paul, ma una goccia d'acqua cambia dimensione mentre evapora. I ricercatori hanno poi scoperto come la gocciolina lampeggiasse in modo simile a ciò che accade quando un elettrone viene emesso da un atomo quando viene illuminato da luce di diverse lunghezze d'onda. Sono stati anche in grado di utilizzare un'analogia della meccanica quantistica per spiegare come le risonanze - la dimensione della gocciolina quando la dispersione era massima - corrispondano ai livelli di energia di un atomo. Ciò rende la gocciolina un modello di un atomo con l'ulteriore vantaggio che le sue dimensioni possono essere variate. Fornisce approfondimenti su come la luce si disperde pur essendo un modello per capire come funzionano gli atomi.
Utile nella ricerca farmacologica
«Poiché una goccia d'acqua è circa 100.000 volte più grande di un atomo, otteniamo un modello di un atomo visibile ad occhio nudo, un'atomo ottico'», afferma Javier Tello Marmolejo.
La spettroscopia laser genera dati su livelli di energia, legami e strutture in atomi e molecole. Allo stesso modo, lo spettro della luce diffusa dalle goccioline d'acqua genera dati sulle goccioline effettive. Questo può essere usato per misurare i tassi di evaporazione delle goccioline microscopiche con alta precisione, dicono i ricercatori. Questa scoperta può essere applicata a liquidi diversi dall'acqua e può essere utile quando si studiano le goccioline di aerosol negli inalatori usati per i farmaci, per esempio. I ricercatori osservano inoltre che questa tecnologia offre un nuovo modo per analizzare la qualità dell'acqua.
«Piccole quantità di inquinanti nell'acqua cambiano il modo in cui le goccioline lampeggiano, il che apre la possibilità di misurazioni rapide e semplici di inquinanti chimici o biologici nelle goccioline d'acqua», conclude Javier Tello Marmolejo.
Riferimenti:
(2) Fano Combs in the Directional Mie Scattering of a Water Droplet
Descrizione foto: Quando un raggio di luce viene proiettato in una goccia d'acqua, la luce viene intrappolata all'interno della goccia. - Credit: Javier Tello Marmolejo.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: An illuminated water droplet creates an ‘optical atom’