Natuurkundigen van het Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) slaagden erin gigantische diatomische moleculen te vormen en ze daarna optisch te detecteren met behulp van een objectief met hoge resolutie.

De kleine omvang van conventionele diatomische moleculen in het sub-nanometerregime belemmert de directe optische resolutie van hun bestanddelen. Natuurkundigen van de Quantum Many Body Division bij MPQ onder leiding van prof. Immanuel Bloch waren in staat om paren zeer opgewonden atomen te binden op een afstand van één micrometer. De enorme bindingslengte - vergelijkbaar met kleine biologische cellen zoals de E coli bacteriën - maakt een microscopisch onderzoek van de onderliggende bindingsstructuur mogelijk door beide gebonden atomen direct optisch op te lossen.

De kleine omvang en de interactie van alle bijdragende elektronen maken het zeer ingewikkeld om moleculaire bindingen experimenteel en theoretisch zeer gedetailleerd te bestuderen. Zelfs de loutere structuur van atomen, de fundamentele bouwstenen van chemische bindingen, analytisch niet te berekenen. Alleen het waterstofatoom, het eerste en eenvoudigste element in het periodiek systeem, die slechts uit een enkel proton en een enkel elektron bestaat, kan nauwkeurig worden berekend. De overgang van atomen naar moleculen verhoogt de moeilijkheidsgraad nog meer. Omdat bijna alle atomen op onze planeet gebonden zijn in moleculen, het waarnemen van de structuur van moleculaire binding is essentieel om de materiële eigenschappen van onze omgeving te begrijpen. Atomen met een enkel elektron in een sterk aangeslagen toestand, zogenaamde Rydberg-atomen, de eenvoudige structuur van een waterstofatoom overbrengen naar atomen die complexer zijn omdat het enkele aangeslagen elektron zich op grote afstand van de kern en de andere elektronen bevindt. Verder, Rydberg-atomen hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen vanwege hun sterke interacties, die zelfs op micronafstand kunnen worden gemeten en die al worden gebruikt op het gebied van kwantumsimulatie en kwantumberekening.

Het team rond Immanuel Bloch en Christian Groß zou deze interacties nu kunnen gebruiken om twee Rydberg-atomen te binden met behulp van laserlicht. "Vanwege de relatief eenvoudige theorie van Rydberg-atomen, de spectroscopisch opgeloste trillingstoestanden van de resulterende moleculen zijn in kwantitatieve overeenstemming met de theoretisch berekende energieniveaus. Verder, het grote formaat zorgt voor een directe microscopische toegang tot de bindingslengte en de oriëntatie van het geëxciteerde molecuul, " zegt Simon Hollerith, doctoraat student en eerste auteur van de studie.

In het experiment, de natuurkundigen begonnen met een tweedimensionale atoomarray met interatomaire afstanden van 0,53 µm, waarbij elke plaats van de array aanvankelijk werd ingenomen door precies één atoom. Het onderliggende optische rooster dat de grondtoestandsatomen op de beginpositie vastzet, werd gecreëerd door interfererende laserstralen. Omdat de bijbehorende moleculen van het rooster werden afgestoten, molecuul excitatie leidt tot twee lege roosterplaatsen gescheiden door een bindingslengte, wat overeenkomt met een afstand van een roosterdiagonaal in het geval van dit werk. Na een excitatiepuls, de resterende atoombezetting van het rooster werd gemeten met een objectief met hoge resolutie en moleculen werden geïdentificeerd als gecorreleerde lege plaatsen. Met behulp van deze microscopische detectiemethode, de natuurkundigen konden bovendien aantonen dat de oriëntatie van de geëxciteerde moleculen voor verschillende moleculaire resonanties afwisselde tussen parallelle en loodrechte uitlijning ten opzichte van de polarisatie van het excitatielicht. De reden is een interferentie-effect gebaseerd op de elektronische structuur en de vibrationele vrijheidsgraad van het molecuul, die ook werd voorspeld door de theoretische verwachting.

Voor de toekomst, het team van de MPQ is van plan om de nieuwe moleculaire resonanties te gebruiken voor kwantumsimulatie van kwantum vele lichaamssystemen. De gebonden toestanden van twee Rydberg-atomen kunnen worden gebruikt om grote interactiesterkten op de afstand van een bindingslengte te construeren.