Wat bevindt zich in een atoom tussen de kern en het elektron? Meestal is er niets, maar waarom zouden er niet ook andere deeltjes kunnen zijn? Als het elektron op grote afstand om de kern draait, er is genoeg ruimte tussenin voor andere atomen. Er zou een "gigantisch atoom" kunnen worden gecreëerd, gevuld met gewone atomen. Al deze atomen vormen een zwakke binding, het creëren van een nieuwe, exotische toestand van materie bij koude temperaturen, aangeduid als Rydberg-polarons.

Een team van onderzoekers heeft deze stand van zaken nu in het tijdschrift gepresenteerd Fysieke beoordelingsbrieven . Het theoretische werk werd gedaan aan de TU Wien (Wenen) en Harvard University, het experiment werd uitgevoerd aan de Rice University in Houston (Texas).

Twee speciale gebieden van de atoomfysica, die alleen onder extreme omstandigheden kan worden bestudeerd, zijn in dit onderzoeksproject gecombineerd:Bose-Einstein-condensaten en Rydberg-atomen. Een Bose-Einstein-condensaat is een toestand van materie gecreëerd door atomen bij ultrakoude temperaturen, dicht bij het absolute nulpunt. Rydberg-atomen zijn die waarin één enkel elektron in een zeer aangeslagen toestand wordt getild en op een zeer grote afstand om de kern draait.

"De gemiddelde afstand tussen het elektron en zijn kern kan oplopen tot enkele honderden nanometers - dat is meer dan duizend keer de straal van een waterstofatoom, ", zegt professor Joachim Burgdörfer. Samen met prof. Shuhei Yoshida (beiden TU Wien, Wenen), hij bestudeert al jaren de eigenschappen van dergelijke Rydberg-atomen.

Eerst, er ontstond een Bose-Einstein-condensaat met strontiumatomen. Met behulp van een laser, energie werd overgebracht naar een van deze atomen, veranderen in een Rydberg-atoom met een enorme atoomstraal. De straal van de baan waarin het elektron rond de kern beweegt, is veel groter dan de typische afstand tussen twee atomen in het condensaat. Daarom, het elektron draait om zijn eigen atoomkern, terwijl tal van andere atomen in zijn baan liggen, te. Afhankelijk van de straal van het Rydberg-atoom en de dichtheid van het Bose-Einstein-condensaat, maar liefst 170 extra strontiumatomen kunnen worden omsloten door de enorme elektronische baan.

Deze atomen hebben een minimale invloed op het pad van het Rydberg-elektron. "De atomen dragen geen elektrische lading, daarom, ze oefenen slechts een minimale kracht uit op het elektron, " zegt Shuhei Yoshida. Maar in zeer kleine mate, het elektron wordt nog steeds beïnvloed door de aanwezigheid van de neutrale atomen langs zijn pad. Het is verspreid over de neutrale atomen, maar slechts heel weinig, zonder ooit zijn baan te verlaten. De kwantumfysica van langzame elektronen maakt dit soort verstrooiing mogelijk, die het elektron niet in een andere toestand brengt.

Zoals computersimulaties laten zien, deze relatief zwakke soort interactie vermindert de totale energie van het systeem, en een binding tussen het Rydberg-atoom en de andere atomen in de elektronische baan wordt gecreëerd. "Het is een hoogst ongebruikelijke situatie, " zegt Shuhei Yoshida. "Normaal gesproken, we hebben te maken met geladen kernen die elektronen eromheen binden. Hier, we hebben een elektron dat neutrale atomen bindt."

Deze binding is veel zwakker dan de binding tussen atomen in een kristal. Daarom, deze exotische toestand van materie, genaamd Rydberg-polarons, kan alleen worden gedetecteerd bij zeer lage temperaturen. Als de deeltjes sneller zouden bewegen, de band zou breken. "Voor ons, deze nieuwe, zwak gebonden toestand van materie is een opwindende nieuwe mogelijkheid om de fysica van ultrakoude atomen te onderzoeken, " zegt Joachim Burgdörfer. "Op die manier kan men de eigenschappen van een Bose-Einstein-condensaat op zeer kleine schaal met zeer hoge precisie onderzoeken."