Met behulp van lasers, Amerikaanse en Oostenrijkse natuurkundigen hebben ultrakoude strontiumatomen in complexe structuren gelokaliseerd die nog nooit eerder in de natuur zijn waargenomen.

"Ik ben verbaasd dat we een nieuwe manier hebben ontdekt waarop atomen samenkomen, "Zei Tom Killian, natuurkundige van Rice University. "Het laat zien hoe rijk de wetten van de natuurkunde en scheikunde kunnen zijn." Killian is de hoofdwetenschapper van een nieuw artikel in Physical Review Letters (PRL) dat de experimentele bevindingen van de groep samenvat.

Killian werkte samen met experimentele natuurkundigen van Rice's Center for Quantum Materials en theoretische natuurkundigen van Harvard University en Vienna University of Technology aan het tweejarige project om "Rydberg-polarons" te maken uit strontiumatomen die minstens 1 miljoen keer kouder waren dan de verre ruimte.

De bevindingen van het team, die zijn samengevat in de PRL-paper en een begeleidende theoretische studie die deze week verschijnt in Fysieke beoordeling A (PRA), iets nieuws onthullen over de fundamentele aard van materie, zei Killian.

"De basiswetten die we in de scheikundeles leren, vertellen ons hoe atomen zich aan elkaar binden om moleculen te vormen, en een diep begrip van die principes is wat scheikundigen en ingenieurs in staat stelt om de materialen te maken die we in ons dagelijks leven gebruiken, " zei hij. "Maar die wetten zijn ook vrij rigide. Alleen bepaalde combinaties van atomen zullen stabiele bindingen vormen in een molecuul. Ons werk onderzocht een nieuw type molecuul dat niet wordt beschreven door een van de traditionele regels voor het samenbinden van atomen."

Killian zei dat de nieuwe moleculen alleen stabiel zijn bij buitengewoon lage temperaturen - ongeveer een miljoenste graad boven het absolute nulpunt. Bij zulke lage temperaturen de samenstellende atomen blijven lang genoeg stil om "aan elkaar gelijmd" te worden in nieuwe, complexe structuren, hij zei.

"Een verbazingwekkend ding is dat je een willekeurig aantal atomen aan deze moleculen kunt blijven hechten, "Zei Killian. "Het is net als het bevestigen van Legoblokjes, wat je niet kunt doen met traditionele soorten moleculen."

Hij zei dat de ontdekking interessant zal zijn voor theoretische chemici, fysici van de gecondenseerde materie, atoomfysici en natuurkundigen die Rydberg-atomen bestuderen voor mogelijk gebruik in kwantumcomputers.

"De natuur maakt gebruik van een fascinerende gereedschapskist met trucs om atomen aan elkaar te binden om moleculen en materialen te maken, ' zei Killian. 'Als we deze trucs ontdekken en begrijpen, we bevredigen onze aangeboren nieuwsgierigheid naar de wereld waarin we leven, en het kan vaak leiden tot praktische vooruitgang, zoals nieuwe therapeutische medicijnen of zonnecellen die licht oogsten. Het is te vroeg om te zeggen of er praktische toepassingen uit ons werk zullen komen, maar fundamenteel onderzoek als dit is wat nodig is om de grote doorbraken van morgen te vinden."

De inspanningen van het team waren gericht op het maken, het meten en voorspellen van het gedrag van een specifieke toestand van materie, een Rydberg-polaron genaamd, een combinatie van twee verschillende fenomenen, Rydberg-atomen en polaronen.

In Rydberg-atomen, een of meer elektronen worden met een precieze hoeveelheid energie aangeslagen, zodat ze ver van de atoomkern cirkelen. Rydberg-atomen kunnen worden beschreven met eenvoudige regels die meer dan een eeuw geleden zijn opgeschreven door de Zweedse natuurkundige Johannes Rydberg. Ze worden al tientallen jaren in laboratoria bestudeerd en er wordt aangenomen dat ze voorkomen in koude uithoeken van de diepe ruimte. De Rydberg-atomen in de PRL-studie waren tot één micron breed, ongeveer 1, 000 keer groter dan normale strontiumatomen.

Polaronen worden gemaakt wanneer een enkel deeltje sterk interageert met zijn omgeving en nabijgelegen elektronen veroorzaakt, ionen of atomen om zichzelf te herschikken en een soort coating te vormen die het deeltje met zich meedraagt. Het polaron zelf is een collectief - een verenigd object dat bekend staat als een quasideeltje - dat eigenschappen van het oorspronkelijke deeltje en zijn omgeving bevat.

Rydberg-polarons zijn een nieuwe klasse polaronen waarin de hoogenergetische, elektron in een verre omloopbaan verzamelt honderden atomen in zijn baan terwijl het door een dichte, ultrakoude wolk. In de Rice-experimenten, onderzoekers begonnen met het creëren van een onderkoelde wolk van enkele honderdduizenden strontiumatomen. Door de timing van laserpulsen te coördineren met veranderingen in het elektrische veld, de onderzoekers waren in staat om Rydberg-polarons één voor één te maken en te tellen, uiteindelijk miljoenen van hen vormen voor hun studie.

Terwijl Rydberg-polarons eerder met rubidium waren gemaakt, het gebruik van strontium stelde de natuurkundigen in staat om de energie van de gecoate Rydberg-atomen duidelijker op te lossen op een manier die voorheen onzichtbare universele kenmerken onthulde.

"Ik geef veel eer aan de theoretici, " zei Killian, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. "Ze ontwikkelden krachtige technieken om de structuur van honderden interagerende deeltjes te berekenen om onze resultaten te interpreteren en de handtekeningen van de Rydberg-polarons te identificeren.

"Vanuit een experimenteel standpunt, het was een uitdaging om deze polarons te maken en te meten, " zei hij. "Iedereen leefde slechts een paar microseconden voordat botsingen met andere deeltjes het uit elkaar scheurden. We moesten zeer gevoelige technieken gebruiken om deze fragiele en vluchtige objecten te tellen."