Direkte observation af kæmpe molekyler

Fysikere ved Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) opnåede at danne gigantiske diatomiske molekyler og optisk detektere dem bagefter ved at bruge et højopløsningsmål.

Den lille størrelse af konventionelle diatomiske molekyler i subnanometer-regimet hindrer direkte optisk opløsning af deres bestanddele. Fysikere fra Quantum Many Body Division ved MPQ ledet af Prof. Immanuel Bloch var i stand til at binde par af stærkt exciterede atomer i en afstand af en mikrometer. Den enorme bindingslængde - sammenlignelig med små biologiske celler som E coli bakterier - muliggør en mikroskopisk undersøgelse af den underliggende bindingsstruktur ved direkte optisk at opløse begge bundne atomer.

Den lille størrelse og samspillet mellem alle medvirkende elektroner gør det meget kompliceret at eksperimentelt og teoretisk studere molekylære bindinger på en meget detaljeret måde. Selv den blotte struktur af atomer, de grundlæggende byggesten i kemiske bindinger, kan ikke beregnes analytisk. Kun brintatomet - som er det første og enkleste grundstof i det periodiske system, kun består af en enkelt proton og en enkelt elektron - kan beregnes præcist. Overgangen fra atomer til molekyler øger sværhedsgraden endnu mere. Fordi næsten alle atomer på vores planet er bundet i molekyler, at opfatte strukturen af ​​molekylær binding er afgørende for at forstå de materielle egenskaber i vores miljø. Atomer med en enkelt elektron i en meget exciteret tilstand, såkaldte Rydberg-atomer, overføre den simple struktur af et brintatom til atomer, der er mere komplekse, fordi den enkelte exciterede elektron er langt væk fra kernen og de andre elektroner. Desuden, Rydberg-atomer har fået meget opmærksomhed i de seneste år på grund af deres stærke interaktioner, som kan måles selv på mikron afstand og allerede bruges inden for kvantesimulering og kvanteberegning.

Holdet omkring Immanuel Bloch og Christian Groß kunne nu bruge disse interaktioner til at binde to Rydberg-atomer ved hjælp af laserlys. "På grund af den forholdsvis simple teori om Rydberg-atomer, de spektroskopisk opløste vibrationstilstande af de resulterende molekyler er i kvantitativ overensstemmelse med de teoretisk beregnede energiniveauer. Desuden, den store størrelse giver mulighed for en direkte mikroskopisk adgang til bindingslængden og orienteringen af ​​det exciterede molekyle, siger Simon Hollerith, Ph.D. studerende og førsteforfatter til undersøgelsen.

I forsøget fysikerne startede med et todimensionelt atomarray med interatomare afstande på 0,53 µm, hvor hvert sted i arrayet oprindeligt var besat af præcis ét atom. Det underliggende optiske gitter, der fastgør grundtilstandsatomerne i den oprindelige position, blev skabt af interfererende laserstråler. Fordi de tilknyttede molekyler blev afstødt fra gitteret, molekyle excitation fører til to tomme gittersteder adskilt af en bindingslængde, hvilket svarer til en afstand af en gitterdiagonal i dette værks tilfælde. Efter en excitationspuls, den resterende atombesættelse af gitteret blev målt med et højopløsningsmål, og molekyler blev identificeret som korrelerede tomme steder. Ved at bruge denne mikroskopiske detektionsmetode, fysikerne kunne desuden vise, at orienteringen af ​​de exciterede molekyler for forskellige molekylære resonanser vekslede mellem parallel og vinkelret justering i forhold til polariseringen af ​​excitationslyset. Årsagen er en interferenseffekt baseret på den elektroniske struktur samt molekylets vibrationsfrihedsgrad, hvilket også forudsagt af den teoretiske forventning.

For fremtiden, holdet på MPQ planlægger at bruge de nye molekylære resonanser til kvantesimulering af kvante-mange kropssystemer. De bundne tilstande af to Rydberg-atomer kan bruges til at konstruere store interaktionsstyrker i afstanden af ​​en bindingslængde.