I fisici di Kaiserslautern e il team del professor Dr. Herwig Ott sono riusciti per la prima volta a osservare direttamente le molecole di Rydberg di trilobite puro. Particolarmente interessante è che queste molecole hanno una forma molto particolare, che ricorda i fossili di trilobiti. Hanno anche i momenti di dipolo elettrico più grandi di qualsiasi molecola conosciuta finora.
I ricercatori hanno utilizzato un apparato dedicato in grado di preparare queste fragili molecole a temperature ultrabasse. I risultati rivelano i loro meccanismi di legame chimico, che sono distinti da tutti gli altri legami chimici. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications .
Per il loro esperimento, i fisici hanno utilizzato una nuvola di atomi di rubidio che è stata raffreddata in un vuoto ultra-alto a circa 100 microkelvin, ovvero 0,0001 gradi sopra lo zero assoluto. Successivamente, hanno eccitato alcuni di questi atomi nel cosiddetto stato Rydberg utilizzando 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 gas quantistici ultrafreddi e ottica atomica quantistica presso l'Università di Kaiserslautern-Landau.
"Il raggio orbitale dell'elettrone può essere superiore a un micrometro, rendendo la nuvola di elettroni più grande di un piccolo batterio." Atomi così altamente eccitati si formano anche nello spazio interstellare e sono chimicamente estremamente reattivi.
Se un atomo dello stato fondamentale si trova ora all'interno di questo gigantesco atomo di Rydberg, si forma una molecola. Mentre i legami chimici standard sono di natura covalente, ionica, metallica o dipolare, le molecole di trilobite sono legate da un meccanismo completamente diverso.
"È la diffusione quantomeccanica dell'elettrone Rydberg dall'atomo dello stato fondamentale, che tiene insieme i due", afferma Max Althön, primo autore dello studio. "Immaginiamo che l'elettrone orbiti rapidamente attorno al nucleo. Ad ogni viaggio di andata e ritorno, si scontra con l'atomo dello stato fondamentale. Contrariamente alla nostra intuizione, la meccanica quantistica ci insegna che queste collisioni portano a un'attrazione effettiva tra l'elettrone e l'atomo dello stato fondamentale. "
Le proprietà di queste molecole sono sorprendenti:a causa della natura ondulatoria dell'elettrone, le molteplici collisioni portano a una figura di interferenza che assomiglia a un trilobite. Inoltre, la lunghezza del legame della molecola è grande quanto l’orbita di Rydberg, molto più grande di qualsiasi altra molecola biatomica. E poiché l'elettrone è così fortemente attratto dall'atomo dello stato fondamentale, il momento di dipolo elettrico permanente è estremamente grande:più di 1.700 Debye.
Per osservare queste molecole, gli scienziati hanno sviluppato un apparato a vuoto dedicato. Consente di preparare atomi ultrafreddi tramite raffreddamento laser e successivo rilevamento spettroscopico delle molecole. I risultati ci aiutano a comprendere i meccanismi fondamentali di legame tra gli atomi dello stato fondamentale e gli atomi di Rydberg, che recentemente sono diventati una piattaforma promettente per le applicazioni di calcolo quantistico. La scoperta dei ricercatori integra la comprensione dei sistemi Rydberg, che possono essere esotici e utili allo stesso tempo.
Ulteriori informazioni: Max Althön et al, Esplorazione della serie vibrazionale di molecole di Rydberg di trilobite puro, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43818-7
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
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