Fysiker vid Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) uppnådde att bilda gigantiska diatomiska molekyler och optiskt detektera dem efteråt genom att använda ett högupplöst objektiv.

Den lilla storleken på konventionella diatomiska molekyler i subnanometerregimen hindrar direkt optisk upplösning av deras beståndsdelar. Fysiker från Quantum Many Body Division vid MPQ ledd av Prof. Immanuel Bloch kunde binda par av mycket exciterade atomer på ett avstånd av en mikrometer. Den enorma bindningslängden - jämförbar med små biologiska celler som E coli bakterier – möjliggör en mikroskopisk studie av den underliggande bindningsstrukturen genom att direkt optiskt lösa upp båda bundna atomerna.

Den lilla storleken och samspelet mellan alla bidragande elektroner gör det mycket komplicerat att experimentellt och teoretiskt studera molekylära bindningar på ett mycket detaljerat sätt. Även själva strukturen av atomer, de grundläggande byggstenarna för kemiska bindningar, kan inte beräknas analytiskt. Endast väteatomen – som är det första och enklaste grundämnet i det periodiska systemet, som bara består av en enda proton och en enda elektron — kan beräknas exakt. Övergången från atomer till molekyler ökar svårigheten ännu mer. Eftersom nästan alla atomer på vår planet är bundna i molekyler, att uppfatta strukturen av molekylär bindning är väsentligt för att förstå materialegenskaperna hos vår miljö. Atomer med en enda elektron i ett starkt exciterat tillstånd, så kallade Rydberg-atomer, överföra den enkla strukturen av en väteatom till atomer som är mer komplexa eftersom den enstaka exciterade elektronen är på långt avstånd från kärnan och de andra elektronerna. Vidare, Rydberg-atomer har fått mycket uppmärksamhet under de senaste åren på grund av deras starka interaktioner, som kan mätas även på mikronavstånd och som redan används inom området kvantsimulering och kvantberäkning.

Teamet runt Immanuel Bloch och Christian Groß kunde nu använda dessa interaktioner för att binda två Rydberg-atomer med hjälp av laserljus. "På grund av den jämförelsevis enkla teorin om Rydberg-atomer, de spektroskopiskt upplösta vibrationstillstånden för de resulterande molekylerna överensstämmer kvantitativt med de teoretiskt beräknade energinivåerna. Vidare, den stora storleken möjliggör en direkt mikroskopisk tillgång till bindningslängden och orienteringen av den exciterade molekylen, säger Simon Hollerith, Ph.D. student och första författare till studien.

I experimentet, fysikerna började med en tvådimensionell atomuppsättning med interatomära avstånd på 0,53 µm, där varje plats i arrayen ursprungligen var upptagen av exakt en atom. Det underliggande optiska gittret som fäster grundtillståndsatomerna vid den ursprungliga positionen skapades av störande laserstrålar. Eftersom de associerade molekylerna stöttes bort från gittret, molekylexcitation leder till två tomma gitterställen åtskilda av en bindningslängd, vilket motsvarar ett avstånd av en gitterdiagonal i fallet med detta arbete. Efter en excitationspuls, den återstående atomockupationen av gittret mättes med ett högupplöst objektiv och molekyler identifierades som korrelerade tomma platser. Genom att använda denna mikroskopiska detektionsmetod, fysikerna kunde dessutom visa att orienteringen av de exciterade molekylerna för olika molekylära resonanser växlade mellan parallell och vinkelrät inriktning i förhållande till polariseringen av excitationsljuset. Anledningen är en interferenseffekt baserad på den elektroniska strukturen såväl som molekylens vibrationsgrad. vilket också förutspåddes av den teoretiska förväntan.

För framtiden, teamet på MPQ planerar att använda de nya molekylära resonanserna för kvantsimulering av kvant många kroppssystem. De bundna tillstånden för två Rydberg-atomer kan användas för att konstruera stora interaktionsstyrkor på avståndet till en bindningslängd.