Usando i laser, I fisici statunitensi e austriaci hanno persuaso atomi di stronzio ultrafreddi in strutture complesse diverse da quelle viste in precedenza in natura.

"Sono stupito che abbiamo scoperto un nuovo modo in cui gli atomi si assemblano, "Ha detto il fisico della Rice University Tom Killian. "Mostra quanto possano essere ricche le leggi della fisica e della chimica." Killian è lo scienziato principale di un nuovo articolo in Physical Review Letters (PRL) che ha riassunto i risultati sperimentali del gruppo.

Killian ha collaborato con fisici sperimentali del Rice's Center for Quantum Materials e fisici teorici dell'Università di Harvard e della Vienna University of Technology al progetto biennale per creare "polaroni di Rydberg" da atomi di stronzio che erano almeno 1 milione di volte più freddi dello spazio profondo.

I risultati della squadra, che sono riassunti nel documento PRL e in uno studio teorico complementare che appare questa settimana in Revisione fisica A (PRA), rivelare qualcosa di nuovo sulla natura fondamentale della materia, ha detto Killian.

"Le leggi di base che impariamo a lezione di chimica ci dicono come gli atomi si legano insieme per formare molecole, e una profonda comprensione di questi principi è ciò che consente a chimici e ingegneri di realizzare i materiali che utilizziamo nella nostra vita quotidiana, " ha detto. "Ma quelle leggi sono anche abbastanza rigide. Solo alcune combinazioni di atomi formeranno legami stabili in una molecola. Il nostro lavoro ha esplorato un nuovo tipo di molecola che non è descritta da nessuna delle regole tradizionali per legare insieme gli atomi".

Killian ha affermato che le nuove molecole sono stabili solo a temperature straordinariamente fredde, circa un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto. A temperature così basse, gli atomi costituenti rimangono fermi abbastanza a lungo da "incollarsi insieme" in nuovi, strutture complesse, Egli ha detto.

"Una cosa sorprendente è che puoi continuare ad attaccare un numero arbitrario di atomi a queste molecole, " ha detto Killian. "È proprio come attaccare i blocchi di Lego, cosa che non si può fare con i tipi tradizionali di molecole."

Ha detto che la scoperta interesserà i chimici teorici, fisici della materia condensata, fisici atomici e fisici che stanno studiando gli atomi di Rydberg per un potenziale utilizzo nei computer quantistici.

"La natura sfrutta un'affascinante cassetta degli attrezzi di trucchi per legare gli atomi insieme per creare molecole e materiali, "Ha detto Killian. "Mentre scopriamo e comprendiamo questi trucchi, soddisfiamo la nostra innata curiosità per il mondo in cui viviamo, e spesso può portare a progressi pratici come nuovi farmaci terapeutici o celle solari che raccolgono la luce. È troppo presto per dire se dal nostro lavoro arriveranno applicazioni pratiche, ma una ricerca di base come questa è ciò che serve per trovare le grandi scoperte di domani".

Gli sforzi del team si sono concentrati sulla realizzazione, misurare e prevedere il comportamento di uno specifico stato della materia chiamato polarone di Rydberg, una combinazione di due fenomeni distinti, Atomi e polaroni di Rydberg.

Negli atomi di Rydberg, uno o più elettroni vengono eccitati con una precisa quantità di energia in modo che orbitino lontano dal nucleo dell'atomo. Gli atomi di Rydberg possono essere descritti con semplici regole scritte più di un secolo fa dal fisico svedese Johannes Rydberg. Sono stati studiati nei laboratori per decenni e si ritiene che esistano nelle zone fredde dello spazio profondo. Gli atomi di Rydberg nello studio PRL erano larghi fino a un micron, circa 1, 000 volte più grandi dei normali atomi di stronzio.

I polaroni vengono creati quando una singola particella interagisce fortemente con il suo ambiente e provoca elettroni vicini, ioni o atomi per riorganizzarsi e formare una sorta di rivestimento che la particella porta con sé. Il polaron stesso è un collettivo, un oggetto unificato noto come quasiparticella, che incorpora le proprietà della particella originale e del suo ambiente.

I polaroni di Rydberg sono una nuova classe di polaroni in cui l'alta energia, l'elettrone in orbita lontana raccoglie centinaia di atomi all'interno della sua orbita mentre si muove attraverso un denso, nuvola ultrafredda. Negli esperimenti di riso, i ricercatori hanno iniziato creando una nuvola super raffreddata di diverse centinaia di migliaia di atomi di stronzio. Coordinando la temporizzazione degli impulsi laser con le variazioni del campo elettrico, i ricercatori sono stati in grado di creare e contare i polaroni di Rydberg uno per uno, alla fine formandone milioni per il loro studio.

Mentre i polaroni di Rydberg erano stati precedentemente creati con il rubidio, l'uso dello stronzio ha permesso ai fisici di risolvere più chiaramente l'energia degli atomi di Rydberg rivestiti in un modo che ha rivelato caratteristiche universali inedite.

"Do molto credito ai teorici, "disse Killian, professore di fisica e astronomia. "Hanno sviluppato potenti tecniche per calcolare la struttura di centinaia di particelle interagenti al fine di interpretare i nostri risultati e identificare le firme dei polaroni di Rydberg.

"Da un punto di vista sperimentale, è stato difficile creare e misurare questi polaroni, " ha detto. "Ognuno ha vissuto solo per pochi microsecondi prima che le collisioni con altre particelle lo facessero a pezzi. Abbiamo dovuto usare tecniche molto delicate per contare questi oggetti fragili e fugaci".