Observación directa de moléculas gigantes
Los físicos lograron formar moléculas diatómicas gigantescas y detectarlas ópticamente después mediante un objetivo de alta resolución.
El pequeño tamaño de las moléculas diatómicas convencionales en el régimen subnanométrico dificulta la resolución óptica directa de sus constituyentes. Físicos de la División Quantum Many Body de MPQ liderada por el Prof. Immanuel Bloch fueron capaces de unir pares de átomos altamente excitados a una distancia de un micrómetro. La enorme longitud de la unión - comparable a pequeñas células biológicas como la bacteria E. coli - permite un estudio microscópico de la estructura de unión subyacente mediante la resolución óptica directa de ambos átomos unidos.
La imagen muestra una visión artística del objetivo de alta resolución utilizado en el experimento, que consiste en observar un único plano de átomos en una red óptica formada por los rayos láser rojos. La imagen de la derecha muestra la ocupación reconstruida de la celosía, donde las moléculas de Rydberg se identifican como pares de átomos faltantes (rojo).
Christoph Hohmann (MCQST)
El pequeño tamaño y la interacción de todos los electrones que contribuyen hacen muy complicado el estudio experimental y teórico de los enlaces moleculares de una manera muy detallada. Incluso la mera estructura de los átomos, los bloques fundamentales de los enlaces químicos, no puede ser calculada analíticamente. Sólo el átomo de hidrógeno, que es el first y el elemento más simple de la tabla periódica que consiste en un solo protón y un solo electrón, puede ser calculado con precisión. La transición de los átomos a las moléculas aumenta aún más la dificultad. Debido a que casi todos los átomos de nuestro planeta están unidos en moléculas, la percepción de la estructura de la unión molecular es esencial para comprender las propiedades materiales de nuestro medio ambiente. Los átomos con un solo electrón en un estado altamente excitado, los llamados átomos de Rydberg, transfieren la estructura simple de un átomo de hidrógeno a átomos que son más complejos porque el único electrón excitado se encuentra a una gran distancia del núcleo y de los otros electrones. Además, los átomos de Rydberg ganaron mucha atención en los últimos años debido a sus fuertes interacciones, que pueden medirse incluso a una distancia de micras y que ya se utilizan en la página web field de simulación cuántica y computación cuántica.
El equipo en torno a Immanuel Bloch y Christian Groß podría ahora utilizar estas interacciones para unir dos átomos de Rydberg mediante el uso de luz láser. "Debido a la teoría comparativamente simple de los átomos de Rydberg, los estados vibratorios resueltos espectroscópicamente de las moléculas resultantes están en acuerdo cuantitativo con los niveles de energía teóricamente calculados. Además, el gran tamaño permite un acceso microscópico directo a la longitud de la unión y a la orientación de la molécula excitada", dice Simon Hollerith, estudiante de doctorado y autor del estudio.
En el experimento, los físicos comenzaron con un arreglo atómico bidimensional con distancias interatómicas de 0,53 µm, donde cada sitio del arreglo estaba ocupado inicialmente por un solo átomo. La red óptica subyacente que fija los átomos del estado del suelo en la posición inicial fue creada por rayos láser que interfieren. Debido a que las moléculas asociadas fueron repelidas de la red, la excitación de la molécula conduce a dos sitios de red vacíos separados por una longitud de enlace, que corresponde a una distancia de una diagonal de red en el caso de este trabajo. Después de un pulso de excitación, se midió la ocupación atómica restante de la red con un objetivo de alta resolución y las moléculas fueron identified como sitios vacíos correlacionados. Usando este método de detección microscópica, los físicos pudieron mostrar adicionalmente que la orientación de las moléculas excitadas para las resonancias moleculares de different alternaba entre la alineación paralela y perpendicular relativa a la polarización de la luz de excitación. La razón es una interferencia effect basada tanto en la estructura electrónica como en el grado de libertad vibratoria de la molécula, que también predice la expectativa teórica.
Para el futuro, el equipo del MPQ planea usar las nuevas resonancias moleculares para la simulación cuántica de muchos sistemas corporales. Los estados límite de dos átomos de Rydberg pueden utilizarse para diseñar grandes fuerzas de interacción a la distancia de una longitud de enlace.
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