Onderzoekers van het 5th Physical Institute van de Universiteit van Stuttgart hebben een nieuw bindingsmechanisme geverifieerd dat een molecuul vormt tussen een klein geladen deeltje en een gigantisch (in moleculaire termen) Rydberg-atoom. De wetenschappers observeerden het molecuul met behulp van een zelfgebouwde ionenmicroscoop. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature .

Wanneer afzonderlijke deeltjes zoals atomen en ionen zich binden, ontstaan ​​moleculen. Dergelijke bindingen tussen twee deeltjes kunnen ontstaan ​​als ze bijvoorbeeld tegengestelde elektrische ladingen hebben en daardoor elkaar kunnen aantrekken. Het aan de universiteit van Stuttgart waargenomen molecuul vertoont een bijzonder kenmerk:het bestaat uit een positief geladen ion en een neutraal atoom in een zogenaamde Rydberg-toestand. Deze Rydberg-atomen zijn duizend keer groter geworden in vergelijking met typische atomen. Omdat de lading van het ion het Rydberg-atoom op een heel specifieke manier vervormt, ontstaat de binding tussen de twee deeltjes.

Om het molecuul te verifiëren en te bestuderen, maakten de onderzoekers een ultrakoude rubidiumwolk, die bij -273 graden Celsius werd afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Alleen bij deze lage temperaturen is de kracht tussen de deeltjes sterk genoeg om een ​​molecuul te vormen. In deze ultrakoude atomaire ensembles bereidt de ionisatie van afzonderlijke atomen met laservelden de eerste bouwsteen van het molecuul voor:het ion.

Extra laserstralen prikkelen een tweede atoom in de Rydberg-staat. Het elektrische veld van het ion vervormt dit gigantische atoom. Interessant is dat de vervorming aantrekkelijk of afstotend kan zijn, afhankelijk van de afstand tussen de twee deeltjes, waardoor de bindingspartners rond een evenwichtsafstand oscilleren en de moleculaire binding induceren. De afstand tussen de bindpartners is ongewoon groot en bedraagt ​​ongeveer een tiende van de dikte van een mensenhaar.

Microscopie met behulp van elektrische velden

Een speciale ionenmicroscoop maakte deze waarneming mogelijk. Het werd ontwikkeld, gebouwd en in opdracht van de onderzoekers van het 5e Fysische Instituut in nauwe samenwerking met de werkplaatsen van de Universiteit Stuttgart. In tegenstelling tot typische microscopen die met licht werken, beïnvloedt het apparaat de dynamiek van geladen deeltjes met behulp van elektrische velden om de deeltjes te vergroten en af ​​te beelden op een detector. "We kunnen het vrij zwevende molecuul en zijn bestanddelen met deze microscoop in beeld brengen en de uitlijning van dit molecuul in ons experiment rechtstreeks observeren en bestuderen", legt Nicolas Zuber, Ph.D. student aan het 5th Physical Institute.

In een volgende stap willen de onderzoekers dynamische processen binnen dit ongebruikelijke molecuul bestuderen. Met behulp van de microscoop moet het mogelijk zijn om trillingen en rotaties van het molecuul te bestuderen. Door zijn gigantische omvang en de zwakke binding van het molecuul zijn de dynamische processen langzamer in vergelijking met gebruikelijke moleculen. De onderzoeksgroep hoopt nieuwe en meer gedetailleerde kennis op te doen over de innerlijke structuur van het molecuul. + Verder verkennen

Zwakke atoombinding, 14 jaar geleden getheoretiseerd, voor het eerst waargenomen