Los físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) lograron formar moléculas diatómicas gigantes y luego detectarlas ópticamente mediante el uso de un objetivo de alta resolución.

El diminuto tamaño de las moléculas diatómicas convencionales en el régimen subnanométrico dificulta la resolución óptica directa de sus constituyentes. Los físicos de la División Cuántica de Muchos Cuerpos en MPQ, dirigida por el profesor Immanuel Bloch, pudieron unir pares de átomos muy excitados a una distancia de un micrómetro. La enorme longitud del enlace, comparable a las células biológicas pequeñas como el E. coli bacterias:permite un estudio microscópico de la estructura de unión subyacente mediante la resolución óptica directa de ambos átomos unidos.

El pequeño tamaño y la interacción de todos los electrones contribuyentes hacen que sea muy complicado estudiar los enlaces moleculares de manera experimental y teórica de una manera muy detallada. Incluso la mera estructura de los átomos, los bloques de construcción fundamentales de los enlaces químicos, no se puede calcular analíticamente. Sólo el átomo de hidrógeno, que es el primer y más simple elemento de la tabla periódica, que consta de un solo protón y un solo electrón, se puede calcular con precisión. La transición de átomos a moléculas aumenta aún más la dificultad. Debido a que casi todos los átomos de nuestro planeta están unidos en moléculas, percibir la estructura de la unión molecular es esencial para comprender las propiedades materiales de nuestro entorno. Átomos con un solo electrón en un estado muy excitado, los llamados átomos de Rydberg, transferir la estructura simple de un átomo de hidrógeno a átomos que son más complejos porque el único electrón excitado está muy lejos del núcleo y de los otros electrones. Es más, Los átomos de Rydberg ganaron mucha atención en los últimos años debido a sus fuertes interacciones, que pueden medirse incluso a una distancia de micrones y ya se utilizan en el campo de la simulación cuántica y la computación cuántica.

El equipo alrededor de Immanuel Bloch y Christian Groß ahora podría usar estas interacciones para unir dos átomos de Rydberg mediante el uso de luz láser. "Debido a la teoría comparativamente simple de los átomos de Rydberg, los estados vibracionales resueltos espectroscópicamente de las moléculas resultantes están en concordancia cuantitativa con los niveles de energía calculados teóricamente. Es más, el gran tamaño permite un acceso microscópico directo a la longitud del enlace y la orientación de la molécula excitada, "dice Simon Hollerith, Doctor. estudiante y primer autor del estudio.

En el experimento, los físicos comenzaron con una matriz de átomos bidimensionales con distancias interatómicas de 0.53 µm, donde cada sitio de la matriz estaba inicialmente ocupado por exactamente un átomo. La red óptica subyacente que fija los átomos del estado fundamental en la posición inicial se creó mediante la interferencia de rayos láser. Debido a que las moléculas asociadas fueron repelidas de la red, La excitación de la molécula conduce a dos sitios reticulares vacíos separados por una longitud de enlace, que corresponde a una distancia de una diagonal de celosía en el caso de esta obra. Después de un pulso de excitación, la ocupación del átomo restante de la red se midió con un objetivo de alta resolución y las moléculas se identificaron como sitios vacíos correlacionados. Usando este método de detección microscópica, los físicos pudieron demostrar además que la orientación de las moléculas excitadas para diferentes resonancias moleculares alternaba entre alineación paralela y perpendicular en relación con la polarización de la luz de excitación. La razón es un efecto de interferencia basado en la estructura electrónica, así como en el grado de libertad vibratoria de la molécula, que también predice la expectativa teórica.

Para el futuro, el equipo del MPQ planea utilizar las nuevas resonancias moleculares para la simulación cuántica de muchos sistemas corporales cuánticos. Los estados ligados de dos átomos de Rydberg se pueden usar para diseñar grandes fuerzas de interacción a la distancia de una longitud de enlace.