Fasci di Neutroni Curvi del NIST Portano Nuove Opportunità all'Industria

Per la prima volta, un gruppo di ricercatori ha creato un fascio di neutroni che viaggia lungo traiettorie curve. L'impresa, firmata da scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) insieme ad altri istituti, apre una nuova frontiera nello studio dei materiali, con applicazioni che toccano settori come la biotecnologia, la chimica, il calcolo quantistico.

Il fascio Airy di neutroni, così chiamato in omaggio al fisico inglese George Airy, è stato realizzato grazie a un dispositivo costruito su misura. A differenza dei fasci tradizionali, questi possono piegarsi attorno agli ostacoli, offrendo un modo inedito di indagare materiali complessi come farmaci, profumi, pesticidi.

"Conoscevamo da tempo questi strani schemi d'onda auto-guidanti, ma nessuno li aveva mai ottenuti con i neutroni," ha spiegato Michael Huber, ricercatore del NIST e coautore dello studio pubblicato su Physical Review Letters .

La realizzazione è stata guidata da Dusan Sarenac dell'Università di Buffalo, con il supporto di scienziati dell'Institute for Quantum Computing (IQC) dell'Università di Waterloo in Canada, che ha sviluppato il dispositivo chiave. Hanno collaborato anche il Paul Scherrer Institut in Svizzera, il Jülich Center for Neutron Science in Germania, l'Università del Maryland e l'Oak Ridge National Laboratory.

A rendere particolare il fascio Airy è il suo comportamento: oltre a curvare, non si disperde durante il percorso come farebbe un fascio di torcia tradizionale, e può persino "auto-rigenerarsi" dopo aver incontrato un ostacolo.

Per creare questo effetto, i ricercatori hanno realizzato una griglia di diffrazione: un quadrato di silicio grande quanto la gomma di una matita, inciso con oltre sei milioni di quadratini di un micrometro ciascuno, posizionati a distanze precise. Il disegno è frutto di anni di calcoli e test, come ha raccontato Dmitry Pushin, docente dell'IQC: "Incidere la griglia ha richiesto solo 48 ore, ma definirne le dimensioni ha impegnato per anni il lavoro di un postdoc."

Questa nuova tecnologia potrebbe migliorare significativamente la qualità delle immagini ottenute tramite tecniche come la diffusione o la diffrazione di neutroni, aumentando la risoluzione o permettendo di focalizzare su aree specifiche di un oggetto.

Tra le prospettive più interessanti, secondo Huber, c'è la possibilità di combinare un fascio Airy con un'onda elicoidale di neutroni, tecnica che lo stesso team aveva perfezionato dieci anni fa. La sovrapposizione dei due fasci potrebbe consentire esplorazioni più precise delle proprietà chirali dei materiali.

La chiralità, ovvero la "durezza" di una molecola, è un elemento cruciale in settori come la farmacologia, la scienza dei materiali e la chimica industriale. Il mercato globale dei farmaci chirali supera i 200 miliardi di dollari all'anno, mentre tecniche di catalisi chirale sono alla base della produzione di numerosi composti chimici.

Anche in ambito tecnologico, la chiralità gioca un ruolo crescente. È fondamentale per applicazioni avanzate come la spintronica e il calcolo quantistico, dove il controllo dello spin degli elettroni è essenziale. "Il modo in cui una molecola influenza lo spin degli elettroni potrebbe aiutarci a gestire meglio i qubit nei computer quantistici," ha sottolineato Huber. "I fasci Airy di neutroni potrebbero essere uno strumento prezioso per studiare questi materiali."

Il lavoro completo è descritto nell'articolo: D. Sarenac, O. Lailey, M.E. Henderson, H. Ekinci, C.W. Clark, D.G. Cory, L. DeBeer-Schmitt, M.G. Huber, J.S. White, K. Zhernenkov, e D.A. Pushin. "Generation of Airy Neutron Beams." Physical Review Letters , pubblicato online il 17 aprile 2025, DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.153401 .

Glossario Airy Beam : Fascio d'onda che si propaga seguendo una traiettoria curva senza disperdersi. Chiralità : Proprietà di un oggetto di non sovrapponibilità alla propria immagine speculare. Diffrazione : Fenomeno fisico in cui le onde si piegano attorno agli ostacoli. Griglia di diffrazione : Struttura che separa un fascio in più onde attraverso un pattern di incisioni. Neutroni : Particelle subatomiche senza carica elettrica presenti nel nucleo atomico. Qubit : Unita fondamentale di informazione nei computer quantistici. Spintronica : Tecnologia che sfrutta lo spin degli elettroni per elaborare informazioni. Università di Waterloo : Ateneo canadese noto per la ricerca avanzata in fisica quantistica.