Las propiedades electrónicas de la materia condensada a menudo están determinadas por una intrincada competencia entre la energía cinética que tiene como objetivo superponer y deslocalizar las funciones de onda electrónica a través de la red cristalina. y localización de interacciones electrón-electrón. A diferencia de, la fase gaseosa se caracteriza por electrones de valencia estrechamente localizados alrededor de los núcleos de los átomos iónicos en estados cuánticos discretos con energías bien definidas. Como híbrido exótico de ambas situaciones, uno puede preguntarse qué estado de la materia se crea cuando un gas de átomos aislados se excita repentinamente a un estado en el que las funciones de onda electrónica se superponen espacialmente, como en un solido?

Una fase tan exótica de la materia, sin embargo, hasta ahora ha sido imposible de crear en principio. Aquí, Profesor Kenji Ohmori, Instituto de Ciencia Molecular, Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón, y sus compañeros de trabajo se han dado cuenta de un híbrido tan exótico con funciones de onda electrónicas superpuestas (Rydberg) creadas coherentemente en sólo 10 picosegundos por excitación láser ultrarrápida en un microcristal artificial de átomos ultrafríos. El grado de superposición espacial se ajusta activamente con una precisión y exactitud de casi 50 nanómetros. Este exótico gas cuántico parecido a un metal bajo un control exquisito y de larga duración, decayendo en nanosegundos, abre un régimen completamente nuevo de física de muchos cuerpos para simular la dinámica ultrarrápida de electrones de muchos cuerpos dominada por las interacciones de Coulomb.

El experimento se realizó con un conjunto de 30, 000 átomos de rubidio en fase gaseosa. Se enfrió a una temperatura por debajo de una 10 millonésima parte de 1 Kelvin por encima de una temperatura de cero absoluto mediante enfriamiento por láser / evaporación. Esos átomos ultrafríos en el estado cuántico energéticamente más bajo, referido como un condensado de Bose-Einstein, se cargan en una red cúbica de trampas ópticas formadas con rayos láser de contrapropagación, dando como resultado un microcristal artificial que consta de 30, 000 átomos, cuya distancia al vecino más cercano es de 0,5 micrones. Este microcristal con un tamaño de algunas decenas de micrómetros se irradió con un pulso láser ultracorto cuyo ancho de pulso era de 10 picosegundos. Luego se observó que un electrón confinado en cada uno de los átomos vecinos estaba excitado a su orbital electrónico gigante (orbital de Rydberg), de modo que se superpongan espacialmente entre sí. El grado de superposición se controló exquisitamente con casi 50 nanómetros de precisión y exactitud cambiando la frecuencia del láser que selecciona el orbital.

Cuando los orbitales de estos electrones débilmente unidos se superponen entre sí y los átomos comienzan a compartir sus orbitales, entran en un nuevo régimen de gas cuántico similar al metal. El profesor Ohmori y sus compañeros de trabajo han creado por primera vez un gas cuántico similar al metal. Se espera que esta fase de materia exótica sea una plataforma pionera para la simulación cuántica de la dinámica de electrones ultrarrápida de muchos cuerpos dominada por interacciones de Coulomb que mejorarían nuestra comprensión de las propiedades físicas de la materia, incluida la superconductividad y el magnetismo. y podría contribuir a la innovación disruptiva en el desarrollo de nuevos materiales funcionales.

El estudio se publica en Cartas de revisión física .