Usando láseres, Físicos estadounidenses y austriacos han logrado que los átomos de estroncio ultrafríos formen estructuras complejas como ninguna otra que se haya visto anteriormente en la naturaleza.

"Me sorprende que hayamos descubierto una nueva forma en que los átomos se ensamblan, "Demuestra lo ricas que pueden ser las leyes de la física y la química", dijo el físico de la Universidad de Rice, Tom Killian. Killian es el científico principal en un nuevo artículo publicado en Physical Review Letters (PRL) que resumió los hallazgos experimentales del grupo.

Killian se asoció con físicos experimentales del Centro de Rice para Materiales Cuánticos y físicos teóricos de la Universidad de Harvard y la Universidad de Tecnología de Viena en el proyecto de dos años para crear "polarones Rydberg" a partir de átomos de estroncio que eran al menos 1 millón de veces más fríos que el espacio profundo.

Los hallazgos del equipo, que se resumen en el artículo de PRL y un estudio teórico complementario que aparece esta semana en Revisión física A (PRA), revelar algo nuevo sobre la naturaleza básica de la materia, Dijo Killian.

"Las leyes básicas que aprendemos en la clase de química nos dicen cómo se unen los átomos para formar moléculas, y una comprensión profunda de esos principios es lo que permite a los químicos e ingenieros fabricar los materiales que usamos en nuestra vida diaria, ", dijo." Pero esas leyes también son bastante rígidas. Solo ciertas combinaciones de átomos formarán enlaces estables en una molécula. Nuestro trabajo exploró un nuevo tipo de molécula que no se describe en ninguna de las reglas tradicionales para unir átomos ".

Killian dijo que las nuevas moléculas solo son estables a temperaturas extraordinariamente frías, alrededor de una millonésima de grado por encima del cero absoluto. A temperaturas tan bajas, los átomos constituyentes permanecen quietos el tiempo suficiente para "pegarse" en nuevos, estructuras complejas, él dijo.

"Algo asombroso es que puedes seguir uniendo un número arbitrario de átomos a estas moléculas, "Dijo Killian." Es como colocar bloques de Lego, lo que no se puede hacer con los tipos tradicionales de moléculas ".

Dijo que el descubrimiento será de interés para los químicos teóricos, físicos de la materia condensada, físicos atómicos y físicos que están estudiando los átomos de Rydberg para su uso potencial en computadoras cuánticas.

"La naturaleza aprovecha una fascinante caja de herramientas de trucos para unir átomos y formar moléculas y materiales, ", Dijo Killian." A medida que descubrimos y entendemos estos trucos, Satisfacemos nuestra curiosidad innata sobre el mundo en el que vivimos, ya menudo puede conducir a avances prácticos como nuevos medicamentos terapéuticos o células solares que captan la luz. Es demasiado pronto para saber si nuestro trabajo generará aplicaciones prácticas, pero una investigación básica como esta es lo que se necesita para encontrar los grandes avances del mañana ".

Los esfuerzos del equipo se centraron en hacer, medir y predecir el comportamiento de un estado específico de la materia llamado polarón de Rydberg, una combinación de dos fenómenos distintos, Átomos y polarones de Rydberg.

En átomos de Rydberg, uno o más electrones se excitan con una cantidad precisa de energía de modo que orbitan lejos del núcleo del átomo. Los átomos de Rydberg pueden describirse con reglas simples escritas hace más de un siglo por el físico sueco Johannes Rydberg. Se han estudiado en laboratorios durante décadas y se cree que existen en los confines fríos del espacio profundo. Los átomos de Rydberg en el estudio PRL tenían hasta una micra de ancho, alrededor de 1, 000 veces más grandes que los átomos de estroncio normales.

Los polarones se crean cuando una sola partícula interactúa fuertemente con su entorno y causa electrones cercanos, iones o átomos para reorganizarse y formar una especie de recubrimiento que la partícula lleva consigo. El polarón en sí es un colectivo, un objeto unificado conocido como cuasipartícula, que incorpora propiedades de la partícula original y su entorno.

Los polarones de Rydberg son una nueva clase de polarones en los que la alta energía, electrón en órbita lejana reúne cientos de átomos dentro de su órbita a medida que se mueve a través de una densa, nube ultra fría. En los experimentos de Rice, Los investigadores comenzaron creando una nube superenfriada de varios cientos de miles de átomos de estroncio. Coordinando la sincronización de los pulsos láser con los cambios en el campo eléctrico, los investigadores pudieron crear y contar los polarones de Rydberg uno por uno, finalmente formando millones de ellos para su estudio.

Si bien los polarones de Rydberg se habían creado previamente con rubidio, el uso de estroncio permitió a los físicos resolver más claramente la energía de los átomos de Rydberg recubiertos de una manera que reveló características universales nunca antes vistas.

"Doy mucho crédito a los teóricos, "dijo Killian, profesor de física y astronomía. “Desarrollaron técnicas poderosas para calcular la estructura de cientos de partículas que interactúan con el fin de interpretar nuestros resultados e identificar las firmas de los polarones de Rydberg.

"Desde un punto de vista experimental, fue un desafío hacer y medir estos polarones, ", dijo." Cada uno vivió solo unos pocos microsegundos antes de que las colisiones con otras partículas lo desgarraran. Tuvimos que utilizar técnicas muy sensibles para contar estos objetos frágiles y fugaces ".