Los físicos de Kaiserslautern del equipo del profesor Dr. Herwig Ott lograron por primera vez observar directamente moléculas puras de trilobites Rydberg. Particularmente interesante es que estas moléculas tienen una forma muy peculiar, que recuerda a los fósiles de trilobites. También tienen los momentos dipolares eléctricos más grandes de cualquier molécula conocida hasta ahora.
Los investigadores utilizaron un aparato específico que es capaz de preparar estas frágiles moléculas a temperaturas ultrabajas. Los resultados revelan sus mecanismos de unión química, que son distintos de todos los demás enlaces químicos. El estudio fue publicado en la revista Nature Communications. .
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). Posteriormente, algunos de estos átomos se excitaron mediante láseres hasta alcanzar el llamado estado de Rydberg. "En este proceso, el electrón más externo es llevado en cada caso a órbitas lejanas alrededor del cuerpo atómico", explica el profesor Herwig Ott, que investiga gases cuánticos ultrafríos y óptica atómica cuántica en la Universidad de Kaiserslautern-Landau.
"El radio orbital del electrón puede ser de más de un micrómetro, lo que hace 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 ahora se ubica un átomo en estado fundamental dentro de este átomo gigante de Rydberg, se forma una molécula. Mientras que los enlaces químicos estándar son covalentes, iónicos, metálicos o de naturaleza dipolar, las moléculas de trilobites se unen mediante un mecanismo completamente diferente.
"Es la dispersión mecánica cuántica del electrón de Rydberg del átomo en estado fundamental lo que une a ambos", afirma Max Althön, primer autor del estudio. "Imagínese el electrón orbitando rápidamente alrededor del núcleo. En cada viaje de ida y vuelta, choca con el átomo en estado fundamental. A diferencia de nuestra intuición, la mecánica cuántica nos enseña que estas colisiones conducen a una atracción efectiva entre el electrón y el átomo en estado fundamental. "
Las propiedades de estas moléculas son sorprendentes:debido a la naturaleza ondulatoria del electrón, las múltiples colisiones conducen a un patrón de interferencia que parece un trilobite. Además, la longitud del enlace de la molécula es tan grande como la órbita de Rydberg, mucho mayor que la de cualquier otra molécula diatómica. Y debido a que el electrón es tan fuertemente atraído por el átomo en estado fundamental, el momento dipolar eléctrico permanente es extremadamente grande:más de 1.700 Debye.
Para observar estas moléculas, los científicos han desarrollado un aparato de vacío específico. Permite preparar átomos ultrafríos mediante enfriamiento por láser y posterior detección espectroscópica de las moléculas. Los resultados nos ayudan a comprender los mecanismos de unión fundamentales entre los átomos en estado fundamental y los átomos de Rydberg, que recientemente se han convertido en una plataforma prometedora para aplicaciones de computación cuántica. El descubrimiento de los investigadores complementa la comprensión de los sistemas Rydberg, que pueden ser exóticos y útiles al mismo tiempo.
Más información: Max Althön et al, Explorando la serie vibratoria de moléculas de trilobites puros de Rydberg, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43818-7
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau
