Fysiker vid Technische Universität Kaiserslautern i teamet av professor Dr. Herwig Ott har för första gången lyckats direkt observera kollisioner mellan mycket upphetsade atomer, så kallade Rydberg-atomer, och atomer i grundtillståndet. Särskilt intressant är att de exakt kan identifiera energitillstånden för de enskilda atomerna, vilket var omöjligt förrän nu. Forskarna har utvecklat ett anpassat mikroskop för detta ändamål, med vilka de direkt kunde mäta atomernas momenta. De observerade processerna är viktiga för att förstå interstellärt plasma och ultrakylda plasma som genereras i laboratoriet. Studien publicerades i den berömda tidskriften Naturkommunikation .

För deras experiment, fysikerna använde ett moln av rubidiumatomer som kyldes ned i ett extremt högt vakuum till cirka 100 mikrokelvin-0,0001 grader över den absoluta nollan. Senare, de upphetsade några av dessa atomer till ett så kallat Rydberg-tillstånd med hjälp av lasrar. "I denna process, den yttersta elektronen i varje fall förs in i avlägsna banor runt atomkroppen, "förklarar professor Herwig Ott, som forskar om ultrakylda kvantgaser och kvantatomoptik vid TU Kaiserslautern. "Elektronens orbitalradie kan vara mer än en mikrometer, vilket gör elektronmolnet större än en liten bakterie. "Sådana mycket upphetsade atomer bildas också i interstellära rymden och är kemiskt extremt reaktiva.

Om en Rydberg -atom och en atom i grundtillståndet krockar, uppstår en så kallad oelastisk kollision. "Detta är när atomen i grundtillståndet dyker djupt in i Rydberg -elektronens bana, "förklarar professor Ott. Det som följer är att de två atomernas molekylära dynamik är mycket komplex och leder till deras separering, varigenom elektronens bana har förändrats.

"I denna statliga förändring, både huvudkvantnumret och vinkelmomentet för elektronen kan förändras, "säger Philipp Geppert, som är första författare till studien. Geppert förklarar vidare att baserat på fördelningen av dessa slutliga tillstånd, det är möjligt att få ny inblick i atomkollisionsprocesser där både stora och små internkärniga avstånd är viktiga.

I detta slutliga tillstånd, Rydberg -elektronen återvänder till en bana som är närmare atomkärnan. I processen, energi frigörs, som överförs i form av rörelseenergi till båda inblandade atomerna. På grund av bevarande av momentum, atomerna rör sig isär i motsatta riktningar.

Forskarna har utvecklat ett momentummikroskop speciellt för detta experiment för att observera sådan rörelse. Grundprincipen är ganska enkel:De neutrala atomerna joniseras med en laserpuls och riktas mot en positionskänslig detektor med hjälp av ett svagt elektriskt fält. Slagpunkten beror på atomernas initialhastighet och indikerar därmed deras momentum. Mikroskopet kan lösa de minsta hastighetsskillnaderna och därigenom göra det möjligt att exakt identifiera de slutliga tillstånden för de enskilda atomerna.

Denna kunskap hjälper till att förstå grundläggande atomprocesser i plasma. Plasma är en blandning av olika partiklar som elektroner, joner, atomer, och molekyler. Inom forskning, plasma spelar en viktig roll, till exempel, för att studera samspelet mellan partiklar närmare. Eftersom det också förekommer i rymden, resultat från laboratoriet kan vara relevanta för astrofysik, till exempel för att bättre förstå vilka kemiska och fysiska processer som sker i interstellära rymden.

Forskning om denna studie ägde rum inom prioriteringsprogrammet "Giant Interactions in Rydberg Systems, "som finansieras av den tyska forskningsstiftelsen. Denna forskning utfördes i OPTIMAS -profilområdet (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften — State Research Center for Optics and Materials Sciences), som har finansierats som en del av statens forskningsinitiativ sedan 2008.