Undersøgelse:Fysikere skaber kæmpe trilobit Rydberg-molekyler

Kaiserslautern-fysikere i holdet af professor Dr. Herwig Ott er for første gang lykkedes med direkte at observere rene trilobit Rydberg-molekyler. Særligt interessant er, at disse molekyler har en meget ejendommelig form, som minder om trilobitfossiler. De har også de største elektriske dipolmomenter af ethvert molekyle, der hidtil er kendt.

Forskerne brugte et dedikeret apparat, der er i stand til at forberede disse skrøbelige molekyler ved ultralave temperaturer. Resultaterne afslører deres kemiske bindingsmekanismer, som er forskellige fra alle andre kemiske bindinger. Undersøgelsen blev publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Til deres eksperiment brugte fysikerne en sky af rubidiumatomer, der blev kølet ned i et ultrahøjt vakuum til omkring 100 mikrokelvin - 0,0001 grader over det absolutte nulpunkt. Efterfølgende exciterede de nogle af disse atomer til en såkaldt Rydberg-tilstand ved hjælp af lasere. "I denne proces bliver den yderste elektron i hvert tilfælde bragt i fjerntliggende baner omkring atomlegemet," forklarer professor Herwig Ott, der forsker i ultrakolde kvantegasser og kvanteatomoptik ved University of Kaiserslautern-Landau.

"Elektronens kredsløbsradius kan være mere end en mikrometer, hvilket gør elektronskyen større end en lille bakterie." Sådanne stærkt exciterede atomer dannes også i det interstellare rum og er kemisk ekstremt reaktive.

Hvis et grundtilstandsatom nu er placeret i dette gigantiske Rydberg-atom, dannes der et molekyle. Mens standard kemiske bindinger enten er kovalente, ioniske, metalliske eller af dipolær natur, er trilobitmolekylerne bundet af en helt anden mekanisme.

"Det er den kvantemekaniske spredning af Rydberg-elektronen fra grundtilstandsatomet, som sætter de to sammen," siger Max Althön, der er førsteforfatter til undersøgelsen. "Forestil dig, at elektronen hurtigt kredser om kernen. På hver rundrejse kolliderer den med grundtilstandsatomet. I modsætning til vores intuition lærer kvantemekanikken os, at disse kollisioner fører til en effektiv tiltrækning mellem elektronen og grundtilstandsatomet. "

Egenskaberne ved disse molekyler er fantastiske:På grund af elektronens bølgenatur fører de mange kollisioner til et interferensmønster, der ligner en trilobit. Desuden er bindingslængden af ​​molekylet lige så stor som Rydberg-kredsløbet - meget større end noget andet diatomisk molekyle. Og fordi elektronen er så stærkt tiltrukket af grundtilstandsatomet, er det permanente elektriske dipolmoment ekstremt stort:​​mere end 1.700 Debye.

For at observere disse molekyler har forskerne udviklet et dedikeret vakuumapparat. Det giver mulighed for at fremstille ultrakolde atomer via laserkøling og efterfølgende spektroskopisk detektion af molekylerne. Resultaterne hjælper os med at forstå grundlæggende bindingsmekanismer mellem grundtilstandsatomer og Rydberg-atomer, som for nylig er blevet en lovende platform for kvanteberegningsapplikationer. Forskernes opdagelse supplerer forståelsen af ​​Rydberg-systemer, som kan være eksotiske og nyttige på samme tid.

Flere oplysninger: Max Althön et al., Udforskning af vibrationsserien af ​​rene trilobit Rydberg-molekyler, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43818-7

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau