Natuurkundigen uit Kaiserslautern in het team van professor dr. Herwig Ott zijn er voor het eerst in geslaagd zuivere trilobiet Rydberg-moleculen rechtstreeks waar te nemen. Bijzonder interessant is dat deze moleculen een heel eigenaardige vorm hebben, die doet denken aan trilobietfossielen. Ze hebben ook de grootste elektrische dipoolmomenten van alle tot nu toe bekende moleculen.

De onderzoekers gebruikten een speciaal apparaat dat deze kwetsbare moleculen bij ultralage temperaturen kan bereiden. De resultaten onthullen hun chemische bindingsmechanismen, die verschillen van alle andere chemische bindingen. Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Voor hun experiment gebruikten de natuurkundigen een wolk rubidiumatomen die in een ultrahoog vacuüm werd afgekoeld tot ongeveer 100 microkelvin – 0,0001 graden boven het absolute nulpunt. Vervolgens hebben ze een aantal van deze atomen met behulp van lasers in een zogenaamde Rydberg-toestand gebracht. "In dit proces wordt het buitenste elektron telkens in verre banen rond het atoomlichaam gebracht", legt professor Herwig Ott uit, die onderzoek doet naar ultrakoude kwantumgassen en kwantumatoomoptica aan de Universiteit van Kaiserslautern-Landau.

"De orbitale straal van het elektron kan meer dan één micrometer zijn, waardoor de elektronenwolk groter is dan een kleine bacterie." Dergelijke sterk aangeslagen atomen worden ook gevormd in de interstellaire ruimte en zijn chemisch extreem reactief.

Als zich nu een grondtoestandatoom binnen dit gigantische Rydberg-atoom bevindt, wordt een molecuul gevormd. Terwijl standaard chemische bindingen covalent, ionisch, metallisch of dipolair van aard zijn, zijn de trilobietmoleculen gebonden door een heel ander mechanisme.

‘Het is de kwantummechanische verstrooiing van het Rydberg-elektron vanuit het grondtoestandatoom, die de twee aan elkaar plakt’, zegt Max Althön, eerste auteur van het onderzoek. ‘Stel je voor dat het elektron snel rond de kern draait. Bij elke rondreis botst het met het grondtoestandatoom. In tegenstelling tot onze intuïtie leert de kwantummechanica ons dat deze botsingen leiden tot een effectieve aantrekkingskracht tussen het elektron en het grondtoestandatoom. "

De eigenschappen van deze moleculen zijn verbazingwekkend:vanwege de golfkarakteristiek van het elektron leiden de meerdere botsingen tot een interferentiepatroon dat op een trilobiet lijkt. Bovendien is de bindingslengte van het molecuul net zo groot als de Rydberg-baan – veel groter dan enig ander diatomisch molecuul. En omdat het elektron zo sterk wordt aangetrokken door het grondtoestandatoom, is het permanente elektrische dipoolmoment extreem groot:ruim 1.700 Debye.

Om deze moleculen waar te nemen, hebben de wetenschappers een speciaal vacuümapparaat ontwikkeld. Het maakt het bereiden van ultrakoude atomen mogelijk via laserkoeling en daaropvolgende spectroscopische detectie van de moleculen. De resultaten helpen ons fundamentele bindingsmechanismen tussen grondtoestandatomen en Rydberg-atomen te begrijpen, die onlangs een veelbelovend platform zijn geworden voor kwantumcomputertoepassingen. De ontdekking van de onderzoekers vormt een aanvulling op het begrip van Rydberg-systemen, die tegelijkertijd exotisch en nuttig kunnen zijn.

Meer informatie: Max Althön et al, Onderzoek naar de trillingsreeksen van zuivere trilobiet Rydberg-moleculen, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43818-7

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau