Een fysicus van Purdue University heeft een Rydberg-vlindermolecuul waargenomen, een zwakke combinatie van twee zeer prikkelbare atomen waarvan hij voorspelde dat ze meer dan tien jaar geleden zouden bestaan.

Rydberg-moleculen worden gevormd wanneer een elektron ver van de atoomkern wordt geschopt. Chris Groen, Purdue's Albert Overhauser Distinguished Professor in de natuurkunde en sterrenkunde, samen met zijn co-auteurs H. Sadeghpour en E. Hamilton, theoretiseerde in 2002 dat zo'n molecuul een ander atoom zou kunnen aantrekken en eraan kan binden.

"Voor alle normale atomen, de elektronen zijn altijd slechts één of twee angstrom verwijderd van de kern, maar in deze Rydberg-atomen kun je ze 100 of 1 krijgen. 000 keer verder weg, " zei Greene. "Na voorbereidend werk aan het eind van de jaren tachtig en het begin van de jaren negentig, we zagen in 2002 de mogelijkheid dat dit verre Rydberg-elektron het atoom op zeer grote afstand aan een ander atoom zou kunnen binden. Dit elektron is als een herdershond. Elke keer dat het langs een ander atoom suist, dit Rydberg-atoom voegt een beetje aantrekkingskracht toe en duwt het naar één plek totdat het de twee atomen vangt en samenbindt."

Een samenwerking tussen Greene en zijn postdoctoraal medewerker Jesus Perez-Rios van Purdue en onderzoekers van de Universiteit van Kaiserslautern in Duitsland heeft nu het bestaan ​​van de vlinder Rydberg-molecuul bewezen, zo genoemd naar de vorm van zijn elektronenwolk. Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Dit nieuwe bindende mechanisme, waarin een elektron een atoom kan grijpen en opsluiten, is echt nieuw vanuit het oogpunt van chemie. Het is een geheel nieuwe manier waarop een atoom kan worden gebonden door een ander atoom, ' zei Groen.

De onderzoekers koelden Rubidiumgas af tot een temperatuur van 100 nano-Kelvin, ongeveer een tienmiljoenste graad boven het absolute nulpunt. Met behulp van een laser, ze waren in staat om een ​​elektron uit zijn kern te duwen, het creëren van een Rydberg-atoom, en dan kijken.

"Telkens wanneer een ander atoom zich op ongeveer de juiste afstand bevindt, je kunt de laserfrequentie aanpassen om die groep atomen vast te leggen die zich op een zeer duidelijke internucleaire scheiding bevinden die wordt voorspeld door onze theoretische behandeling, ' zei Groen.

Ze waren in staat om de bindingsenergie tussen de twee atomen te detecteren op basis van veranderingen in de frequentie van het licht dat het Rydberg-molecuul absorbeerde.

Greene zei dat het bevredigend is om te weten dat de voorspellingen die zo lang geleden zijn gedaan, zijn bewezen.

"Het is een heel duidelijke demonstratie dat deze klasse moleculen bestaat, " zei Greene. "Het bevestigt ook de hele theoretische benadering die wij en een paar andere groepen hebben gevolgd die hebben geleid tot de voorspelling en studie van deze nieuwe klasse van moleculen.

"Deze moleculen hebben enorme elektrische dipoolmomenten waardoor ze kunnen worden gemanipuleerd door zwakke elektrische velden die 100 keer kleiner zijn dan die nodig zijn om gewone diatomische moleculen te verplaatsen; dit zou ooit kunnen worden toegepast op de ontwikkeling van elektronica of machines op moleculaire schaal."

Greene zal Rydberg-atomen blijven bestuderen, inclusief tests om te zien of meerdere atomen aan een Rydberg-molecuul kunnen worden gebonden.