Cosa c'è all'interno di un atomo tra il nucleo e l'elettrone? Di solito non c'è niente, ma perché non potrebbero esserci anche altre particelle? Se l'elettrone orbita intorno al nucleo a grande distanza, c'è molto spazio in mezzo per altri atomi. Si potrebbe creare un "atomo gigante", pieno di atomi ordinari. Tutti questi atomi formano un legame debole, creando un nuovo, stato esotico della materia a basse temperature, chiamati polaroni di Rydberg.

Un team di ricercatori ha ora presentato questo stato della materia sulla rivista Lettere di revisione fisica . Il lavoro teorico è stato svolto presso la TU Wien (Vienna) e la Harvard University, l'esperimento è stato eseguito presso la Rice University di Houston (Texas).

Due campi speciali della fisica atomica, che può essere studiato solo in condizioni estreme, sono stati combinati in questo progetto di ricerca:condensati di Bose-Einstein e atomi di Rydberg. Un condensato di Bose-Einstein è uno stato della materia creato da atomi a temperature ultrafredde, vicino allo zero assoluto. Gli atomi di Rydberg sono quelli in cui un singolo elettrone viene sollevato in uno stato altamente eccitato e orbita attorno al nucleo a una distanza molto grande.

"La distanza media tra l'elettrone e il suo nucleo può raggiungere diverse centinaia di nanometri, ovvero più di mille volte il raggio di un atomo di idrogeno, " afferma il Professor Joachim Burgdörfer. Insieme al Prof. Shuhei Yoshida (entrambi TU Wien, Vienna), studia da anni le proprietà di tali atomi di Rydberg.

Primo, un condensato di Bose-Einstein è stato creato con atomi di stronzio. Usando un laser, l'energia è stata trasferita a uno di questi atomi, trasformandolo in un atomo di Rydberg con un enorme raggio atomico. Il raggio dell'orbita in cui l'elettrone si muove attorno al nucleo è molto più grande della distanza tipica tra due atomi nel condensato. Perciò, l'elettrone orbita attorno al proprio nucleo atomico, mentre numerosi altri atomi giacciono all'interno della sua orbita, pure. A seconda del raggio dell'atomo di Rydberg e della densità del condensato di Bose-Einstein, fino a 170 atomi di stronzio aggiuntivi possono essere racchiusi dall'enorme orbita elettronica.

Questi atomi hanno un'influenza minima sul percorso dell'elettrone di Rydberg. "Gli atomi non portano alcuna carica elettrica, perciò, esercitano solo una forza minima sull'elettrone, "dice Shuhei Yoshida. Ma in misura molto ridotta, l'elettrone è ancora influenzato dalla presenza degli atomi neutri lungo il suo percorso. È disperso negli atomi neutri, ma solo leggermente, senza mai lasciare la sua orbita. La fisica quantistica degli elettroni lenti permette questo tipo di diffusione, che non trasferisce l'elettrone in uno stato diverso.

Come mostrano le simulazioni al computer, questo tipo di interazione relativamente debole diminuisce l'energia totale del sistema, e si crea un legame tra l'atomo di Rydberg e gli altri atomi all'interno dell'orbita elettronica. "È una situazione molto insolita, " dice Shuhei Yoshida. "Normalmente, abbiamo a che fare con nuclei carichi che legano gli elettroni attorno a loro. Qui, abbiamo un elettrone che lega atomi neutri."

Questo legame è molto più debole del legame tra gli atomi in un cristallo. Perciò, questo stato esotico della materia, chiamati polaroni di Rydberg, rilevabile solo a temperature molto basse. Se le particelle si muovessero più velocemente, il legame si spezzerebbe. "Per noi, questo nuovo, lo stato debolmente legato della materia è una nuova eccitante possibilità di investigare la fisica degli atomi ultrafreddi, " afferma Joachim Burgdörfer. "In questo modo è possibile sondare le proprietà di un condensato di Bose-Einstein su scale molto piccole con una precisione molto elevata".