Forskere opdager en ny bindingsmekanisme mellem små og gigantiske partikler

Forskere ved det 5. fysiske institut ved universitetet i Stuttgart har bekræftet en ny bindingsmekanisme, der danner et molekyle mellem en lille ladet partikel og et gigantisk (i molekylære termer) Rydberg-atom. Forskerne observerede molekylet ved hjælp af et selvbygget ionmikroskop. Resultaterne er publiceret i Nature .

Når enkelte partikler som atomer og ioner binder sig, opstår molekyler. Sådanne bindinger mellem to partikler kan opstå, hvis de for eksempel har modsatte elektriske ladninger og dermed er i stand til at tiltrække hinanden. Molekylet, der blev observeret ved universitetet i Stuttgart, udviser et særligt træk:Det består af en positivt ladet ion og et neutralt atom i en såkaldt Rydberg-tilstand. Disse Rydberg-atomer er vokset i størrelse tusind gange sammenlignet med typiske atomer. Da ladningen af ​​ionen deformerer Rydberg-atomet på en meget specifik måde, opstår bindingen mellem de to partikler.

For at verificere og studere molekylet forberedte forskerne en ultrakold rubidiumsky, som blev kølet ned tæt på det absolutte nulpunkt ved -273 grader Celsius. Kun ved disse lave temperaturer er kraften mellem partiklerne stærk nok til at danne et molekyle. I disse ultrakolde atomare ensembler forbereder ioniseringen af ​​enkelte atomer med laserfelter den første byggesten i molekylet - ionen.

Yderligere laserstråler exciterer et andet atom til Rydberg-tilstanden. Ionens elektriske felt deformerer dette gigantiske atom. Interessant nok kan deformationen være attraktiv eller frastødende afhængigt af afstanden mellem de to partikler, hvilket lader bindingspartnerne oscillere rundt i en ligevægtsafstand og inducerer den molekylære binding. Afstanden mellem bindingspartnerne er usædvanlig stor og svarer til omkring en tiendedel af tykkelsen af ​​et menneskehår.

Mikroskopi ved hjælp af elektriske felter

Et særligt ionmikroskop gjorde denne observation mulig. Det blev udviklet, bygget og bestilt af forskerne ved det 5. fysiske institut i tæt samarbejde med værkstederne på universitetet i Stuttgart. I modsætning til typiske mikroskoper, der arbejder med lys, påvirker enheden dynamikken af ​​ladede partikler ved hjælp af elektriske felter for at forstørre og afbilde partiklerne på en detektor. "Vi kunne afbilde det frit flydende molekyle og dets bestanddele med dette mikroskop og direkte observere og studere justeringen af ​​dette molekyle i vores eksperiment," forklarer Nicolas Zuber, Ph.D. studerende ved 5. Fysiske Institut.

I et næste trin ønsker forskerne at studere dynamiske processer inden for dette usædvanlige molekyle. Ved hjælp af mikroskopet skulle det være muligt at studere vibrationer og rotationer af molekylet. På grund af dets gigantiske størrelse og den svage binding af molekylet er de dynamiske processer langsommere sammenlignet med sædvanlige molekyler. Forskergruppen håber at få ny og mere detaljeret viden om molekylets indre struktur. + Udforsk yderligere

Svag atombinding, teoretiseret for 14 år siden, observeret for første gang