Vreemde trilobietvormige moleculen voor het eerst in laboratorium gecreëerd: ScienceAlert

Voor het eerst zijn natuurkundigen erin geslaagd een vreemd, fragiel type structuur in het laboratorium te creëren, bekend als het trilobiet Rydberg-molecuul.

Het bouwen en observeren van deze vreemde atomaire structuren heeft wetenschappers nieuwe inzichten gegeven in de kwantumactiviteit van elektronen terwijl ze zich dichtbij atomen voortplanten.

Omdat hun chemische bindingen anders zijn dan alle andere (zoals wij ze kennen), openen de resultaten mogelijkheden voor het ontwikkelen van betere theoretische modellen van moleculen en het begrijpen van hun dynamiek.

Rydberg-moleculen zijn gemaakt van een type atoom dat bekend staat als a Rydberg-atoom. In een gewoon atoom heb je een kern, omgeven door een kleine zwerm elektronen. Als je een beetje energie aan het atoom toevoegt, zwelt de zwerm elektronen een beetje op, waardoor het atoom iets groter en flexibeler wordt.

Een Rydberg-atoom krijg je als je veel energie toevoegt onder omstandigheden waarbij het zijn elektronen kan behouden. Het puilt heel groot uit, voor een atoom, enkele microns breed, en de elektronen zijn zo los mogelijk gebonden zonder weg te vliegen.

Omdat ze onsamenhangend zijn, gedragen Rydberg-atomen zich overdreven, waardoor ze… Handig voor het uitvoeren van experimenten.

Moleculen zijn rangschikkingen van atomen die op de een of andere manier bij elkaar zijn geclusterd, bijvoorbeeld door gedeelde elektronen of misschien door tegengestelde ladingen. Als je een Rydberg-atoom gebruikt, krijg je een Rydberg-molecuul, maar de manier waarop de atomen aan elkaar plakken Ze kunnen heel anders zijn dan obligaties Dat verbindt meer conventionele moleculen.

Ze kunnen er heel verschillend uitzien, met elektronenverdelingspatronen die bijvoorbeeld op a kunnen lijken Trilobietenof een vlinder.

Onder leiding van natuurkundige Max Althon van de Universiteit van Kaiserslautern-Landau heeft een team van wetenschappers in het Herwig Ott-laboratorium voor het eerst pure trilobiet Rydberg-moleculen gemaakt.

Ze begonnen met rubidiumatomen, onderkoeld tot een temperatuur van slechts 0,0001 graden boven het absolute nulpunt. Vervolgens gebruikten ze lasers om enkele atomen in Rydberg-staten te exciteren.

“In dit proces wordt het buitenste elektron telkens in verre banen rond het atoomlichaam gebracht,” zegt Ott. “De straal van de elektronenbaan kan meer dan één micrometer zijn, waardoor de elektronenwolk groter is dan die van een kleine bacterie.”

Een Rydberg-molecuul kan worden gecreëerd door een grondtoestandatoom – dat nog niet is geëxciteerd naar de Rydberg-toestand – in de gezwollen elektronenzwerm van een Rydberg-atoom te brengen, waar de twee atomen niet bij elkaar worden gehouden door standaard chemische bindingen, maar door vreemde kwantumzwaartekracht. .

“Het is de kwantummechanische verstrooiing van het Rydberg-elektron vanuit het grondtoestandatoom, die de twee met elkaar verbindt.” Alton legt het uit.

“Stel je voor dat een elektron snel in een baan om de kern draait. Bij elke rondreis botst het met een grondtoestandatoom. In tegenstelling tot onze intuïtie leert de kwantummechanica ons dat deze botsingen leiden tot een effectieve aantrekkingskracht tussen het elektron en het grondtoestandatoom. ”

Als gevolg van herhaalde botsingen worden de elektronen verdeeld in een interferentiepatroon dat lijkt op het gesegmenteerde schild van een trilobiet.

Het heeft ook andere prachtige en vreemde eigenschappen. De lengte van de moleculaire binding is ongeveer even groot als de Rydberg-orbitaal, die op atomaire schaal erg groot is. De aantrekkingskracht tussen het elektron en het grondtoestandatoom is ook erg hoog.

Dit betekent dat de Rydberg-moleculen een hogere hebben Elektrisch dipoolmoment dan enig ander molecuul; Dat wil zeggen, de scheiding van positieve en negatieve elektrische ladingen, ook wel polariteit genoemd.

De door Alton en collega's waargenomen trilobiet Rydberg-moleculen hebben een elektrisch dipoolmoment van ruim 1.700 Debbies, wat erg hoog is. Voor watermoleculen is deze meting minder dan 2 Debye.

Het vermogen om niet alleen zuivere Rydberg-trilobieten te creëren, maar ze ook te verkennen, geeft natuurkundigen een nieuw hulpmiddel om de kwantumwereld te testen en te begrijpen.

Het heeft ook potentiële toepassingen voor de verwerking van kwantuminformatie. De onderzoekers zeggen dat het breder kan worden toegepast om deze vreemde moleculen bij verschillende soorten te bestuderen.

“Concluderend hebben we twee trillingsketens van pure Rydberg-trilobietmoleculen gemeten met behulp van optische coherentie met drie fotonen,” zij schrijven. “Op deze manier zou het mogelijk moeten zijn om trilobietdeeltjes te creëren in elk element met een negatieve golfspreidingslengte s.”

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.