I fisici del Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) sono riusciti a formare molecole biatomiche giganti e successivamente a rilevarle otticamente utilizzando un obiettivo ad alta risoluzione.

Le minuscole dimensioni delle molecole biatomiche convenzionali nel regime sub-nanometrico ostacolano la risoluzione ottica diretta dei loro costituenti. I fisici della divisione Quantum Many Body dell'MPQ guidati dal prof. Immanuel Bloch sono stati in grado di legare coppie di atomi altamente eccitati a una distanza di un micrometro. L'enorme lunghezza del legame, paragonabile a piccole cellule biologiche come il E. coli batteri:consente uno studio microscopico della struttura di legame sottostante risolvendo otticamente direttamente entrambi gli atomi legati.

Le piccole dimensioni e l'interazione di tutti gli elettroni che contribuiscono rendono molto complicato studiare sperimentalmente e teoricamente i legami molecolari in modo molto dettagliato. Anche la semplice struttura degli atomi, i mattoni fondamentali dei legami chimici, non è calcolabile analiticamente. Solo l'atomo di idrogeno, che è il primo e il più semplice elemento della tavola periodica, costituito solo da un singolo protone e un singolo elettrone, può essere calcolato con precisione. Il passaggio dagli atomi alle molecole aumenta ancora di più la difficoltà. Poiché quasi tutti gli atomi del nostro pianeta sono legati in molecole, percepire la struttura del legame molecolare è essenziale per comprendere le proprietà dei materiali del nostro ambiente. Atomi con un singolo elettrone in uno stato altamente eccitato, i cosiddetti atomi di Rydberg, trasferire la struttura semplice di un atomo di idrogeno ad atomi più complessi perché il singolo elettrone eccitato è molto lontano dal nucleo e dagli altri elettroni. Per di più, Gli atomi di Rydberg hanno guadagnato molta attenzione negli ultimi anni a causa delle loro forti interazioni, che possono essere misurati anche a distanza di micron e sono già utilizzati nel campo della simulazione quantistica e del calcolo quantistico.

Il team di Immanuel Bloch e Christian Groß potrebbe ora utilizzare queste interazioni per legare due atomi di Rydberg utilizzando la luce laser. "A causa della teoria relativamente semplice degli atomi di Rydberg, gli stati vibrazionali risolti spettroscopicamente delle molecole risultanti sono in accordo quantitativo con i livelli di energia calcolati teoricamente. Per di più, le grandi dimensioni consentono un accesso microscopico diretto alla lunghezza del legame e all'orientamento della molecola eccitata, "dice Simon Hollerith, dottorato di ricerca studente e primo autore dello studio.

Nell'esperimento, i fisici hanno iniziato con un array di atomi bidimensionali con distanze interatomiche di 0,53 µm, dove ogni sito dell'array era inizialmente occupato da esattamente un atomo. Il reticolo ottico sottostante che fissa gli atomi dello stato fondamentale nella posizione iniziale è stato creato dall'interferenza dei raggi laser. Poiché le molecole associate sono state respinte dal reticolo, l'eccitazione della molecola porta a due siti reticolari vuoti separati da una lunghezza di legame, che corrisponde a una distanza di una diagonale reticolare nel caso di questo lavoro. Dopo un impulso di eccitazione, la restante occupazione atomica del reticolo è stata misurata con un obiettivo ad alta risoluzione e le molecole sono state identificate come siti vuoti correlati. Utilizzando questo metodo di rilevamento microscopico, i fisici potrebbero inoltre dimostrare che l'orientamento delle molecole eccitate per diverse risonanze molecolari si alternava tra allineamento parallelo e perpendicolare rispetto alla polarizzazione della luce di eccitazione. Il motivo è un effetto di interferenza basato sulla struttura elettronica e sul grado di libertà vibrazionale della molecola, predetto anche dall'aspettativa teorica.

Per il futuro, il team dell'MPQ prevede di utilizzare le nuove risonanze molecolari per la simulazione quantistica di sistemi quantistici a molti corpi. Gli stati legati di due atomi di Rydberg possono essere usati per progettare grandi forze di interazione alla distanza di una lunghezza di legame.