Med hjälp av laser, Amerikanska och österrikiska fysiker har lirkat ultrakalla strontiumatomer till komplexa strukturer som inte liknar någon tidigare sett i naturen.

"Jag är förvånad över att vi har upptäckt ett nytt sätt att atomer samlas på, ", sa Rice University fysiker Tom Killian. "Det visar hur rika lagarna i fysik och kemi kan vara." Killian är den ledande forskaren på en ny artikel i Physical Review Letters (PRL) som sammanfattade gruppens experimentella resultat.

Killian samarbetade med experimentella fysiker från Rice's Center for Quantum Materials och teoretiska fysiker från Harvard University och Wiens tekniska universitet i det tvååriga projektet för att skapa "Rydberg-polaroner" av strontiumatomer som var minst 1 miljon gånger kallare än rymden.

Teamets resultat, som sammanfattas i PRL-uppsatsen och en kompletterande teoretisk studie som visas denna vecka i Fysisk granskning A (PRA), avslöja något nytt om materiens grundläggande natur, sa Killian.

"De grundläggande lagarna som vi lär oss i kemilektionen berättar för oss hur atomer binder samman för att bilda molekyler, och en djup förståelse för dessa principer är det som gör det möjligt för kemister och ingenjörer att tillverka de material vi använder i våra vardagliga liv, " sade han. "Men de lagarna är också ganska stela. Endast vissa kombinationer av atomer kommer att bilda stabila bindningar i en molekyl. Vårt arbete utforskade en ny typ av molekyl som inte beskrivs av någon av de traditionella reglerna för att binda samman atomer."

Killian sa att de nya molekylerna bara är stabila vid extraordinärt kalla temperaturer - ungefär en miljondels grad över absolut noll. Vid så låga temperaturer, de ingående atomerna förblir stilla tillräckligt länge för att bli "sammanlimmade" i nya, komplexa strukturer, han sa.

"En fantastisk sak är att du kan fortsätta att fästa ett godtyckligt antal atomer till dessa molekyler, " sa Killian. "Det är precis som att fästa legoklossar, vilket du inte kan göra med traditionella typer av molekyler."

Han sa att upptäckten kommer att vara av intresse för teoretiska kemister, kondenserad materia fysiker, atomfysiker och fysiker som studerar Rydberg-atomer för potentiell användning i kvantdatorer.

"Naturen drar fördel av en fascinerande verktygslåda med knep för att binda samman atomer för att göra molekyler och material, " sa Killian. "När vi upptäcker och förstår dessa knep, vi tillfredsställer vår medfödda nyfikenhet på världen vi lever i, och det kan ofta leda till praktiska framsteg som nya terapeutiska läkemedel eller ljusuppsamlande solceller. Det är för tidigt att säga om några praktiska tillämpningar kommer från vårt arbete, men grundforskning som denna är vad som krävs för att hitta morgondagens stora genombrott."

Teamets ansträngningar kretsade kring att göra, mäta och förutsäga beteendet hos ett specifikt materiatillstånd som kallas en Rydberg-polaron, en kombination av två distinkta fenomen, Rydbergs atomer och polaroner.

I Rydbergs atomer, en eller flera elektroner exciteras med en exakt mängd energi så att de kretsar långt från atomkärnan. Rydbergs atomer kan beskrivas med enkla regler som skrevs ner för mer än ett sekel sedan av den svenske fysikern Johannes Rydberg. De har studerats i laboratorier i decennier och tros existera i kalla delar av rymden. Rydberg-atomerna i PRL-studien var upp till en mikron breda, ca 1, 000 gånger större än normala strontiumatomer.

Polaroner skapas när en enskild partikel interagerar starkt med sin omgivning och orsakar närliggande elektroner, joner eller atomer för att omordna sig och bilda en sorts beläggning som partikeln bär med sig. Polaronen i sig är ett kollektiv - ett enhetligt objekt känt som en kvasipartikel - som innehåller egenskaperna hos den ursprungliga partikeln och dess miljö.

Rydberg polaroner är en ny klass av polaroner där högenergi, en elektron som kretsar långt omlopp samlar hundratals atomer i sin bana när den rör sig genom en tät, ultrakallt moln. I risexperimenten, forskare började med att skapa ett underkylt moln av flera hundra tusen strontiumatomer. Genom att koordinera tidpunkten för laserpulser med förändringar i det elektriska fältet, forskarna kunde skapa och räkna Rydberg-polaroner en efter en, slutligen bildade miljoner av dem för sina studier.

Medan Rydberg-polaroner tidigare hade skapats med rubidium, användningen av strontium gjorde det möjligt för fysikerna att tydligare lösa energin hos de belagda Rydberg-atomerna på ett sätt som avslöjade tidigare osynliga universella egenskaper.

"Jag ger mycket kredit till teoretiker, sa Killian, professor i fysik och astronomi. "De utvecklade kraftfulla tekniker för att beräkna strukturen av hundratals interagerande partiklar för att tolka våra resultat och identifiera signaturerna för Rydberg-polaronerna.

"Från en experimentell synvinkel, det var utmanande att tillverka och mäta dessa polaroner, ", sa han. "Var och en levde i bara några mikrosekunder innan kollisioner med andra partiklar slet isär den. Vi var tvungna att använda mycket känsliga tekniker för att räkna dessa ömtåliga och flyktiga föremål."