Forskare vid 5th Physical Institute vid universitetet i Stuttgart har verifierat en ny bindningsmekanism som bildar en molekyl mellan en liten laddad partikel och en gigantisk (i molekylära termer) Rydberg-atom. Forskarna observerade molekylen med hjälp av ett självbyggt jonmikroskop. Resultaten publiceras i Nature .

När enstaka partiklar som atomer och joner binder sig, uppstår molekyler. Sådana bindningar mellan två partiklar kan uppstå om de till exempel har motsatta elektriska laddningar och därmed kan attrahera varandra. Molekylen som observerades vid universitetet i Stuttgart uppvisar en speciell egenskap:Den består av en positivt laddad jon och en neutral atom i ett så kallat Rydbergstillstånd. Dessa Rydberg-atomer har vuxit i storlek tusen gånger jämfört med typiska atomer. När jonens laddning deformerar Rydberg-atomen på ett mycket specifikt sätt, uppstår bindningen mellan de två partiklarna.

För att verifiera och studera molekylen förberedde forskarna ett ultrakallt rubidiummoln, som kyldes ner nära absolut noll vid -273 grader Celsius. Endast vid dessa låga temperaturer är kraften mellan partiklarna tillräckligt stark för att bilda en molekyl. I dessa ultrakalla atomensembler förbereder joniseringen av enskilda atomer med laserfält den första byggstenen i molekylen - jonen.

Ytterligare laserstrålar exciterar en andra atom till Rydberg-tillståndet. Jonens elektriska fält deformerar denna gigantiska atom. Intressant nog kan deformationen vara attraktiv eller frånstötande beroende på avståndet mellan de två partiklarna, vilket låter bindningspartnerna oscillera runt ett jämviktsavstånd och inducerar molekylbindningen. Avståndet mellan bindningspartnerna är ovanligt stort och uppgår till ungefär en tiondel av tjockleken på ett människohår.

Mikroskopi med hjälp av elektriska fält

Ett speciellt jonmikroskop gjorde denna observation möjlig. Det utvecklades, byggdes och beställdes av forskarna vid 5th Physical Institute i nära samarbete med workshops vid universitetet i Stuttgart. I motsats till typiska mikroskop som arbetar med ljus, påverkar enheten dynamiken hos laddade partiklar med hjälp av elektriska fält för att förstora och avbilda partiklarna på en detektor. "Vi kunde avbilda den fritt flytande molekylen och dess beståndsdelar med detta mikroskop och direkt observera och studera inriktningen av denna molekyl i vårt experiment", förklarar Nicolas Zuber, Ph.D. student vid 5th Physical Institute.

I ett nästa steg vill forskarna studera dynamiska processer inom denna ovanliga molekyl. Med hjälp av mikroskopet ska det vara möjligt att studera vibrationer och rotationer av molekylen. På grund av dess gigantiska storlek och den svaga bindningen av molekylen är de dynamiska processerna långsammare jämfört med vanliga molekyler. Forskargruppen hoppas få ny och mer detaljerad kunskap om molekylens inre struktur. + Utforska vidare

Svag atombindning, teoretiserad för 14 år sedan, observerad för första gången