Fysikere bygger bizarre molekyler kaldet Rydberg -polaroner

Brug af lasere, Amerikanske og østrigske fysikere har lokket ultrakølede strontiumatomer til komplekse strukturer i modsætning til tidligere set i naturen.

"Jeg er overrasket over, at vi har opdaget en ny måde, atomer samler på, "sagde fysikeren ved Rice University Tom Killian." Det viser, hvor rige lovene i fysik og kemi kan være. "Killian er hovedforsker ved et nyt papir i Physical Review Letters (PRL), der opsummerede gruppens eksperimentelle fund.

Killian gik sammen med eksperimentelle fysikere fra Rices Center for Quantum Materials og teoretiske fysikere fra Harvard University og Vienna University of Technology om det toårige projekt for at skabe "Rydberg polarons" ud af strontiumatomer, der var mindst 1 million gange koldere end dybt rum.

Holdets resultater, som er opsummeret i PRL -papiret og en ledsagende teoretisk undersøgelse, der vises i denne uge i Fysisk gennemgang A (PRA), afsløre noget nyt om materiens grundlæggende natur, Sagde Killian.

"De grundlæggende love, som vi lærer i kemiklassen, fortæller os, hvordan atomer bindes sammen for at danne molekyler, og en dyb forståelse af disse principper er det, der tillader kemikere og ingeniører at lave de materialer, vi bruger i vores hverdag, "sagde han." Men disse love er også ret stive. Kun visse kombinationer af atomer vil danne stabile bindinger i et molekyle. Vores arbejde udforskede en ny type molekyle, der ikke er beskrevet af nogen af ​​de traditionelle regler for binding af atomer sammen. "

Killian sagde, at de nye molekyler kun er stabile ved ekstraordinært kolde temperaturer - cirka en milliontedel af graden over det absolutte nul. Ved så lave temperaturer, de grundlæggende atomer forbliver stadig længe nok til at blive "limet sammen" i nye, komplekse strukturer, han sagde.

"En fantastisk ting er, at du kan blive ved med at knytte et vilkårligt antal atomer til disse molekyler, "Sagde Killian." Det er ligesom at fastgøre legoklodser, som du ikke kan gøre med traditionelle typer af molekyler. "

Han sagde, at opdagelsen vil være af interesse for teoretiske kemikere, kondenserede fysikere, atomfysikere og fysikere, der studerer Rydberg -atomer til potentiel brug i kvantecomputere.

"Naturen drager fordel af en fascinerende værktøjskasse med tricks til at binde atomer sammen til at lave molekyler og materialer, "Sagde Killian." Da vi opdager og forstår disse tricks, vi tilfredsstiller vores medfødte nysgerrighed om den verden, vi lever i, og det kan ofte føre til praktiske fremskridt som nye terapeutiske lægemidler eller let høstende solceller. Det er for tidligt at sige, om der vil komme praktiske anvendelser fra vores arbejde, men grundforskning som denne er, hvad der skal til for at finde morgendagens store gennembrud. "

Teamets indsats var centreret omkring at lave, måling og forudsigelse af adfærden for en bestemt materiel tilstand kaldet en Rydberg polaron, en kombination af to forskellige fænomener, Rydberg -atomer og polaroner.

I Rydberg -atomer, en eller flere elektroner er spændt med en præcis mængde energi, så de kredser langt fra atomets kerne. Rydbergatomer kan beskrives med enkle regler nedskrevet for mere end et århundrede siden af ​​den svenske fysiker Johannes Rydberg. De er blevet undersøgt i laboratorier i årtier og menes at eksistere i kolde områder i dybt rum. Rydberg -atomerne i PRL -undersøgelsen var op til en mikron brede, omkring 1, 000 gange større end normale strontiumatomer.

Polaroner dannes, når en enkelt partikel interagerer stærkt med sit miljø og forårsager elektroner i nærheden, ioner eller atomer for at omarrangere sig selv og danne en slags belægning, som partiklen bærer med sig. Selve polaronen er et kollektiv - et samlet objekt kendt som en kvasipartikel - der inkorporerer egenskaber ved den originale partikel og dens miljø.

Rydberg polaroner er en ny klasse af polaroner, hvor højenergien, langt kredsende elektron samler hundredvis af atomer inden for sin bane, når den bevæger sig gennem en tæt, ultrakold sky. I risforsøgene forskere begyndte med at skabe en afkølet sky af flere hundrede tusinde strontiumatomer. Ved at koordinere timingen af ​​laserpulser med ændringer i det elektriske felt, forskerne var i stand til at oprette og tælle Rydberg -polaroner en efter en, i sidste ende danner millioner af dem til deres undersøgelse.

Mens Rydberg polaroner tidligere var blevet skabt med rubidium, brugen af ​​strontium gav fysikerne mulighed for mere klart at løse energien i de belagte Rydberg -atomer på en måde, der afslørede tidligere usynlige universelle egenskaber.

"Jeg giver en masse kredit til teoretikerne, "sagde Killian, professor i fysik og astronomi. "De udviklede kraftfulde teknikker til at beregne strukturen af ​​hundredvis af interagerende partikler for at fortolke vores resultater og identificere signaturerne af Rydberg -polaronerne.

"Fra et eksperimentelt synspunkt, det var udfordrende at lave og måle disse polaroner, "sagde han." Hver enkelt levede kun et par mikrosekunder, før kollisioner med andre partikler rev det fra hinanden. Vi var nødt til at bruge meget følsomme teknikker til at tælle disse skrøbelige og flygtige objekter. "