I fisici della Technische Universität Kaiserslautern nel team del professor Dr. Herwig Ott sono riusciti per la prima volta ad osservare direttamente le collisioni tra atomi altamente eccitati, i cosiddetti atomi di Rydberg, e atomi allo stato fondamentale. Particolarmente interessante è che possono identificare con precisione gli stati energetici dei singoli atomi, cosa impossibile fino ad ora. I ricercatori hanno sviluppato un microscopio personalizzato per questo scopo, con cui sono stati in grado di misurare direttamente i momenti degli atomi. I processi osservati sono importanti per la comprensione del plasma interstellare e dei plasmi ultrafreddi generati in laboratorio. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista Comunicazioni sulla natura .

Per il loro esperimento, i fisici hanno usato una nuvola di atomi di rubidio che è stata raffreddata in un vuoto ultra-alto a circa 100 microkelvin, 0,0001 gradi sopra lo zero assoluto. Successivamente, hanno eccitato alcuni di questi atomi in un cosiddetto stato di Rydberg usando i laser. "In questo processo, l'elettrone più esterno in ogni caso viene portato in orbite lontane attorno al corpo atomico, " spiega il professor Herwig Ott, che ricerca i gas quantistici ultrafreddi e l'ottica degli atomi quantistici alla TU Kaiserslautern. "Il raggio orbitale dell'elettrone può essere più di un micrometro, rendendo la nuvola di elettroni più grande di un piccolo batterio." Tali atomi altamente eccitati si formano anche nello spazio interstellare e sono chimicamente estremamente reattivi.

Se un atomo di Rydberg e un atomo nello stato fondamentale si scontrano, si verifica una cosiddetta collisione anelastica. "Questo è quando l'atomo nello stato fondamentale si immerge in profondità nell'orbita dell'elettrone di Rydberg, " spiega il professor Ott. Quello che segue è che la dinamica molecolare dei due atomi è molto complessa e porta alla loro separazione, per cui l'orbita dell'elettrone è cambiata.

"In questo cambio di stato, sia il numero quantico principale che il numero quantico del momento angolare dell'elettrone possono cambiare, "dice Philipp Geppert, chi è il primo autore dello studio. Geppert spiega inoltre che in base alla distribuzione di questi stati finali, è possibile acquisire nuove conoscenze sui processi di collisione atomica in cui sono importanti sia le grandi che le piccole distanze internucleari.

In questo stato finale, l'elettrone di Rydberg ritorna su un'orbita più vicina al nucleo atomico. Nel processo, l'energia viene rilasciata, che viene trasferita sotto forma di energia cinetica ad entrambi gli atomi coinvolti. A causa della conservazione della quantità di moto, gli atomi si allontanano in direzioni opposte.

Gli scienziati hanno sviluppato un microscopio del momento appositamente per questo esperimento per osservare tale movimento. Il principio di base è abbastanza semplice:gli atomi neutri vengono ionizzati con un impulso laser e diretti verso un rivelatore sensibile alla posizione per mezzo di un debole campo elettrico. Il punto di impatto dipende dalla velocità iniziale degli atomi e quindi indica il loro momento. Il microscopio è in grado di risolvere le più piccole differenze di velocità permettendo così di identificare con precisione gli stati finali dei singoli atomi.

Questa conoscenza aiuta a comprendere i processi atomici fondamentali nel plasma. Il plasma è una miscela di particelle diverse come elettroni, ioni, atomi, e molecole. Nella ricerca, il plasma gioca un ruolo importante, Per esempio, per studiare più da vicino l'interazione tra le particelle. Poiché si verifica anche nello spazio, i risultati del laboratorio possono essere rilevanti per l'astrofisica, ad esempio per capire meglio quali processi chimici e fisici avvengono nello spazio interstellare.

La ricerca su questo studio si è svolta nell'ambito del programma prioritario "Giant Interactions in Rydberg Systems, " che è finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca. Questa ricerca è stata condotta nell'area del profilo OPTIMAS (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften—Centro di ricerca statale per l'ottica e le scienze dei materiali), che è stato finanziato come parte dell'iniziativa di ricerca statale dal 2008.