Los físicos de la Technische Universität Kaiserslautern del equipo del profesor Dr. Herwig Ott han logrado por primera vez observar directamente colisiones entre átomos muy excitados, los llamados átomos de Rydberg, y átomos en el estado fundamental. Particularmente interesante es que pueden identificar con precisión los estados de energía de los átomos individuales, lo cual era imposible hasta ahora. Los investigadores han desarrollado un microscopio personalizado para este propósito, con el que pudieron medir directamente los momentos de los átomos. Los procesos observados son importantes para comprender el plasma interestelar y los plasmas ultrafríos generados en el laboratorio. El estudio fue publicado en la reconocida revista Comunicaciones de la naturaleza .

Para su experimento, los físicos utilizaron una nube de átomos de rubidio que se enfrió en un vacío ultra alto a aproximadamente 100 microkelvin, 0,0001 grados por encima del cero absoluto. Después, excitaron algunos de estos átomos en un estado llamado Rydberg usando láseres. "En este proceso, el electrón más externo en cada caso se lleva a órbitas lejanas alrededor del cuerpo atómico, "explica el profesor Herwig Ott, quien investiga gases cuánticos ultrafríos y óptica de átomos cuánticos en TU Kaiserslautern. "El radio orbital del electrón puede ser de más de un micrómetro, haciendo que la nube de electrones sea más grande que una pequeña bacteria ”. Estos átomos altamente excitados también se forman en el espacio interestelar y son químicamente extremadamente reactivos.

Si un átomo de Rydberg y un átomo en el estado fundamental chocan, se produce una llamada colisión inelástica. "Esto es cuando el átomo en el estado fundamental se sumerge profundamente en la órbita del electrón de Rydberg, "explica el profesor Ott. Lo que sigue es que la dinámica molecular de los dos átomos es muy compleja y conduce a su separación, por lo que la órbita del electrón ha cambiado.

"En este cambio de estado, tanto el número cuántico principal como el número cuántico de momento angular del electrón pueden cambiar, "dice Philipp Geppert, quien es el primer autor del estudio. Geppert explica además que, basándose en la distribución de estos estados finales, Es posible obtener nuevos conocimientos sobre los procesos de colisión atómica donde las distancias internucleares grandes y pequeñas son importantes.

En este estado final, el electrón de Rydberg vuelve a una órbita más cercana al núcleo atómico. En el proceso, se libera energía, que se transfiere en forma de energía cinética a ambos átomos involucrados. Debido a la conservación del impulso, los átomos se separan en direcciones opuestas.

Los científicos han desarrollado un microscopio de impulso especialmente para este experimento para observar dicho movimiento. El principio básico es bastante simple:los átomos neutros se ionizan con un pulso láser y se dirigen hacia un detector sensible a la posición por medio de un campo eléctrico débil. El punto de impacto depende de la velocidad inicial de los átomos y, por tanto, indica su momento. El microscopio es capaz de resolver las diferencias de velocidad más pequeñas, lo que permite identificar con precisión los estados finales de los átomos individuales.

Este conocimiento ayuda a comprender los procesos atómicos fundamentales en el plasma. El plasma es una mezcla de diferentes partículas como electrones, iones, átomos, y moléculas. En la investigación, el plasma juega un papel importante, por ejemplo, para estudiar la interacción entre partículas más de cerca. Dado que también ocurre en el espacio, los resultados del laboratorio pueden ser relevantes para la astrofísica, por ejemplo, para comprender mejor qué procesos químicos y físicos tienen lugar en el espacio interestelar.

La investigación sobre este estudio se llevó a cabo dentro del programa prioritario "Interacciones gigantes en sistemas Rydberg, "que está financiado por la Fundación de Investigación Alemana. Esta investigación se llevó a cabo en el área de perfil OPTIMAS (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften — Centro de Investigación Estatal de Óptica y Ciencias de los Materiales), que ha sido financiado como parte de la iniciativa de investigación del estado desde 2008.