Natuurkundigen creëren gigantische trilobietdeeltjes

In trilobiet Rydberg-moleculen is het atoom in zijn gebruikelijke toestand gebonden aan een Rydberg-elektron (een buitenste orbitaal-elektron) in een superpositie van toestanden met een hoog impulsmoment. Hierdoor ontstaat een homogeen nucleair molecuul met een permanent elektrisch dipoolmoment in het kilodebay-bereik.

Tot nu toe hebben wetenschappers alleen trilobietmoleculen gezien met een mengsel van lage toestanden. Voor het eerst zijn natuurkundigen uit Kaiserslautern erin geslaagd zuivere Rydberg-trilobietdeeltjes rechtstreeks waar te nemen.

Deze moleculen hebben een unieke vorm die lijkt op trilobietfossielen, en ze hebben het record voor het hebben van de grootste elektrische dipoolmomenten van alle bekende moleculen. Wetenschappers gebruikten een speciaal apparaat dat deze kleine deeltjes bij extreem lage temperaturen kan creëren. Dit helpt ons te begrijpen hoe ze aan elkaar plakken, wat anders is dan alle andere soorten chemische bindingen.

In hun experiment werkten natuurkundigen met een reeks rubidiumatomen die waren afgekoeld tot een extreem lage temperatuur van ongeveer 100 microkelvin, slechts 0,0001 graden boven het absolute nulpunt. Na afkoeling gebruikten ze een laser om enkele van deze atomen te exciteren in een toestand die bekend staat als de Rydberg-toestand.

Het buitenste elektron wordt tijdens dit proces naar banen ver van de atoomkern verplaatst. De orbitale straal kan groter zijn dan één micrometer, waardoor de elektronenwolk groter is dan een kleine bacterie. Deze sterk aangeslagen atomen worden ook aangetroffen in de interstellaire ruimte en zijn zeer chemisch reactief.

Een grondtoestandatoom vormt een molecuul wanneer het zich in dit grote Rydberg-atoom bevindt. In tegenstelling tot traditionele chemische bindingen zoals covalente, ionische, metallische of dipoolbindingen, binden trilobietmoleculen zich via een heel ander mechanisme. Kwantummechanische verstrooiing van het Rydberg-elektron vanuit het grondtoestandatoom verbindt ze met elkaar. Stel je voor dat het elektron snel rond de kern draait en bij elke rondreis in botsing komt met een grondtoestandatoom. In tegenstelling tot onze intuïtie laat de kwantummechanica zien dat deze botsingen effectief het elektron en het grondtoestandatoom aantrekken.

Deze moleculen hebben prachtige eigenschappen. Vanwege de golfkarakteristiek van het elektron creëren de botsingen een klaverbladachtig interferentiepatroon. De bindingslengte is zo groot als de Rydberg-orbitaal, die veel groter is dan die van enig ander diatomisch molecuul. De sterke aantrekkingskracht tussen het elektron en het grondtoestandatoom resulteert in een enorm en permanent elektrisch dipoolmoment van meer dan 1700 Debye.

Om deze moleculen te observeren, ontwierpen wetenschappers een gespecialiseerd vacuümapparaat. Dit instrument maakt de bereiding van ultrakoude atomen mogelijk door middel van laserkoeling en daaropvolgende detectie van moleculen met behulp van spectroscopie.

Professor Herwig Ott, die onderzoek doet naar ultrakoude kwantumgassen en kwantumatomaire optica aan de Universiteit van Kaiserslautern-Landau, zei: “De resultaten dragen bij aan het begrip van fundamentele correlatiemechanismen tussen grondtoestandatomen en Rydberg-atomen, die steeds veelbelovender worden voor kwantumcomputertoepassingen. Deze ontdekking draagt ​​bij aan ons begrip van Rydberg-systemen, die zowel exotisch als nuttig kunnen zijn.”

Tijdschriftreferentie:

1. Althon, M., Exner, M., Plattner, R. et al. Verkenning van de trillingsreeksen van zuivere Rydberg-trilobietmoleculen. Nat Commun 14, 8108 (2023). Digitale ID: 10.1038/s41467-023-43818-7