En las moléculas de trilobites Rydberg, el átomo está unido en su estado habitual a un electrón Rydberg (un electrón orbital más externo) en una superposición de estados de alto momento angular. Esto crea una molécula nuclear homogénea con un momento dipolar eléctrico permanente en el rango de kilodebay.
Hasta ahora, los científicos sólo han visto moléculas de trilobites con una mezcla de estados de bajo l. Por primera vez, los físicos de Kaiserslautern lograron observar directamente partículas puras de trilobites de Rydberg.
Estas moléculas tienen una forma única que se asemeja a los fósiles de trilobites y tienen el récord de tener los momentos dipolares eléctricos más grandes de todas las moléculas conocidas. Los científicos utilizaron un dispositivo especial que puede crear estas pequeñas partículas a temperaturas extremadamente bajas. Esto nos ayuda a comprender cómo se unen, que es diferente de todos los demás tipos de enlaces químicos.
En su experimento, los físicos trabajaron con una serie de átomos de rubidio enfriados a una temperatura extremadamente baja de aproximadamente 100 microkelvins, sólo 0,0001 grados por encima del cero absoluto. Después de enfriar, utilizaron un láser para excitar algunos de estos átomos a un estado conocido como estado de Rydberg.
Durante este proceso, el electrón más externo se mueve a órbitas alejadas del núcleo atómico. El radio orbital puede exceder un micrómetro, lo que hace que la nube de electrones sea más grande que una pequeña bacteria. Estos átomos altamente excitados también se encuentran en el espacio interestelar y son altamente reactivos químicamente.
Un átomo en estado fundamental forma una molécula cuando se encuentra dentro de este gran átomo de Rydberg. A diferencia de los enlaces químicos tradicionales, como los enlaces covalentes, iónicos, metálicos o dipolares, las moléculas de trilobites se unen mediante un mecanismo completamente diferente. La dispersión mecánica cuántica del electrón de Rydberg del átomo en estado fundamental los une. Imagine el electrón girando rápidamente alrededor del núcleo, chocando con un átomo en estado fundamental en cada viaje de ida y vuelta. Contrariamente a nuestra intuición, la mecánica cuántica muestra que estas colisiones atraen efectivamente al electrón y al átomo en estado fundamental.
Estas moléculas tienen propiedades maravillosas. Debido a la naturaleza ondulatoria del electrón, las colisiones crean un patrón de interferencia similar a un trilobite. La longitud del enlace es tan grande como el orbital de Rydberg, que es mucho mayor que el de cualquier otra molécula diatómica. La fuerte atracción entre el electrón y el átomo en estado fundamental da como resultado un momento dipolar eléctrico enorme y permanente que supera los 1700 Debye.
Para observar estas moléculas, los científicos diseñaron un dispositivo de vacío especializado. Este instrumento permite la preparación de átomos ultrafríos mediante enfriamiento por láser y posterior detección de moléculas mediante espectroscopia.
El profesor Herwig Ott, que investiga gases cuánticos ultrafríos y óptica atómica cuántica en la Universidad de Kaiserslautern-Landau, dijo: «Los resultados contribuyen a la comprensión de los mecanismos de correlación fundamentales entre los átomos del estado fundamental y los átomos de Rydberg, que son cada vez más prometedores para las aplicaciones de computación cuántica. Este descubrimiento se suma a nuestra comprensión de los sistemas de Rydberg, que pueden ser a la vez exóticos y útiles».
Referencia de la revista:
- Alton, M., Exner, M., Plattner, R., et al. Exploración de la serie vibratoria de moléculas puras de trilobites de Rydberg. Nat Comuna 14, 8108 (2023). Identificación digital: 10.1038/s41467-023-43818-7
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