Kaiserslautern-fysiker i professor Dr Herwig Otts team har för första gången lyckats direkt observera rena trilobit Rydberg-molekyler. Särskilt intressant är att dessa molekyler har en mycket säregen form, som påminner om trilobitfossiler. De har också de största elektriska dipolmomenten av alla kända molekyler hittills.
Forskarna använde en dedikerad apparat som kan förbereda dessa ömtåliga molekyler vid ultralåga temperaturer. Resultaten avslöjar deras kemiska bindningsmekanismer, som skiljer sig från alla andra kemiska bindningar. Studien publicerades i tidskriften Nature Communications .
För sitt experiment använde fysikerna ett moln av rubidiumatomer som kyldes ner i ett ultrahögt vakuum till cirka 100 mikrokelvin - 0,0001 grader över absolut noll. Därefter exciterade de några av dessa atomer till ett så kallat Rydbergstillstånd med hjälp av laser. "I den här processen förs den yttersta elektronen i varje fall in i banor runt atomkroppen på långt avstånd", förklarar professor Herwig Ott, som forskar om ultrakalla kvantgaser och kvantatomoptik vid universitetet i Kaiserslautern-Landau.
"Elektronens omloppsradie kan vara mer än en mikrometer, vilket gör elektronmolnet större än en liten bakterie." Sådana mycket exciterade atomer bildas också i det interstellära rymden och är kemiskt extremt reaktiva.
Om en grundtillståndsatom nu finns inom denna gigantiska Rydberg-atom, bildas en molekyl. Medan vanliga kemiska bindningar är antingen kovalenta, joniska, metalliska eller av dipolär natur, är trilobitmolekylerna bundna av en helt annan mekanism.
"Det är den kvantmekaniska spridningen av Rydberg-elektronen från grundtillståndsatomen som håller ihop de två", säger Max Althön, som är första författare till studien. "Föreställ dig att elektronen snabbt kretsar runt kärnan. På varje tur och retur kolliderar den med grundtillståndsatomen. I motsats till vår intuition lär kvantmekaniken oss att dessa kollisioner leder till en effektiv attraktion mellan elektronen och grundtillståndsatomen. "
Egenskaperna hos dessa molekyler är häpnadsväckande:På grund av elektronens vågnatur leder de multipla kollisionerna till ett interferensmönster som ser ut som en trilobit. Dessutom är molekylens bindningslängd lika stor som Rydbergbanan - mycket större än någon annan diatomisk molekyl. Och eftersom elektronen är så starkt attraherad av grundtillståndsatomen är det permanenta elektriska dipolmomentet extremt stort:mer än 1 700 Debye.
För att observera dessa molekyler har forskarna utvecklat en dedikerad vakuumapparat. Det gör det möjligt att förbereda ultrakalla atomer via laserkylning och efterföljande spektroskopisk detektion av molekylerna. Resultaten hjälper oss att förstå grundläggande bindningsmekanismer mellan grundtillståndsatomer och Rydberg-atomer, som nyligen har blivit en lovande plattform för kvantberäkningstillämpningar. Forskarnas upptäckt kompletterar förståelsen av Rydbergs system, som kan vara exotiska och användbara på samma gång.
Mer information: Max Althön et al, Exploring the vibrational series of pure trilobite Rydberg molecules, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43818-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau
