Natuurkundigen van de Technische Universität Kaiserslautern in het team van professor Dr. Herwig Ott zijn er voor het eerst in geslaagd om botsingen tussen zeer geëxciteerde atomen direct waar te nemen, zogenaamde Rydberg-atomen, en atomen in de grondtoestand. Bijzonder interessant is dat ze de energietoestanden van de individuele atomen precies kunnen identificeren, wat tot nu toe onmogelijk was. De onderzoekers hebben hiervoor een aangepaste microscoop ontwikkeld, waarmee ze de momenta van de atomen direct konden meten. De waargenomen processen zijn belangrijk voor het begrijpen van interstellair plasma en ultrakoude plasma's die in het laboratorium worden gegenereerd. De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie .

Voor hun experiment de natuurkundigen gebruikten een wolk rubidiumatomen die in een ultrahoog vacuüm werd afgekoeld tot ongeveer 100 microkelvin - 0,0001 graden boven het absolute nulpunt. Vervolgens, ze hebben sommige van deze atomen met lasers in een zogenaamde Rydberg-staat geëxciteerd. "In dit proces, het buitenste elektron wordt telkens in verre banen rond het atoomlichaam gebracht, " legt professor Herwig Ott uit, die aan de TU Kaiserslautern onderzoek doet naar ultrakoude kwantumgassen en kwantumatoomoptica. "De orbitale straal van het elektron kan meer dan een micrometer zijn, waardoor de elektronenwolk groter is dan een kleine bacterie." Dergelijke sterk geëxciteerde atomen worden ook gevormd in de interstellaire ruimte en zijn chemisch extreem reactief.

Als een Rydberg-atoom en een atoom in de grondtoestand botsen, er treedt een zogenaamde inelastische botsing op. "Dit is wanneer het atoom in de grondtoestand diep in de baan van het Rydberg-elektron duikt, " legt professor Ott uit. Wat volgt is dat de moleculaire dynamica van de twee atomen zeer complex is en leidt tot hun scheiding, waarbij de baan van het elektron is veranderd.

"In deze staatsverandering, zowel het hoofdkwantumgetal als het impulsmomentkwantumgetal van het elektron kunnen veranderen, " zegt Philipp Geppert, wie is de eerste auteur van de studie. Geppert legt verder uit dat op basis van de verdeling van deze eindtoestanden, het is mogelijk om nieuwe inzichten te verwerven in atomaire botsingsprocessen waarbij zowel grote als kleine internucleaire afstanden belangrijk zijn.

In deze eindtoestand het Rydberg-elektron keert terug naar een baan die dichter bij de atoomkern ligt. In het proces, er komt energie vrij, die wordt overgedragen in de vorm van kinetische energie aan beide betrokken atomen. Door het behoud van momentum, de atomen bewegen in tegengestelde richtingen uit elkaar.

De wetenschappers hebben speciaal voor dit experiment een momentummicroscoop ontwikkeld om dergelijke bewegingen te observeren. Het basisprincipe is vrij eenvoudig:de neutrale atomen worden met een laserpuls geïoniseerd en door middel van een zwak elektrisch veld op een positiegevoelige detector gericht. Het inslagpunt hangt af van de beginsnelheid van de atomen en geeft dus hun momentum aan. De microscoop is in staat om de kleinste snelheidsverschillen op te lossen, waardoor het mogelijk wordt om de eindtoestanden van de individuele atomen nauwkeurig te identificeren.

Deze kennis helpt om fundamentele atomaire processen in plasma te begrijpen. Plasma is een mengsel van verschillende deeltjes zoals elektronen, ionen, atomen, en moleculen. In onderzoek, plasma speelt een belangrijke rol, bijvoorbeeld, om de interactie tussen deeltjes nader te bestuderen. Omdat het ook in de ruimte voorkomt, resultaten van het laboratorium kunnen relevant zijn voor astrofysica, bijvoorbeeld om beter te begrijpen welke chemische en fysische processen plaatsvinden in de interstellaire ruimte.

Onderzoek naar deze studie vond plaats binnen het prioriteitsprogramma "Giant Interactions in Rydberg Systems, " die wordt gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting. Dit onderzoek werd uitgevoerd in het OPTIMAS-profielgebied (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften-State Research Center for Optics and Materials Sciences), die sinds 2008 wordt gefinancierd als onderdeel van het onderzoeksinitiatief van de staat.