Iones y átomos de Rydberg: un vínculo entre David y Goliat
Detectado un nuevo mecanismo de unión entre partículas pequeñas y giagantes
Investigadores de la Universidad de Stuttgart han verificado un novedoso mecanismo de unión que forma una molécula entre una diminuta partícula cargada y en medidas atómicas el gigantesco átomo de Rydberg. Los científicos pudieron observar la molécula resuelta espacialmente con la ayuda de un microscopio iónico de construcción propia. La conocida revista "Nature" publicó los resultados el 18 de mayo de 2022.
Cámara de vacío. El control del campo eléctrico y la primera lente del microscopio de iones se encuentran en el centro de la cámara.
Nicolas Zuber, Universität Stuttgart
Cuando las partículas individuales, como los átomos y los iones, se unen, surgen las moléculas. Estas uniones entre partículas pueden surgir si tienen, por ejemplo, cargas eléctricas opuestas y, por tanto, se atraen entre sí. La molécula observada en la Universidad de Stuttgart presenta una característica especial: Está formada por un ion con carga eléctrica positiva y un átomo neutro en el llamado estado de Rydberg. Estos átomos de Rydberg han aumentado su tamaño mil veces en comparación con los átomos típicos. Como la carga del ion deforma el átomo de Rydberg de una manera muy específica, surge el enlace entre las dos partículas.
Nube de rubidio enfriada cerca del cero absoluto
Para verificar y estudiar la molécula, los investigadores prepararon una nube de rubidio ultrafría, que fue enfriada cerca del cero absoluto a -273°C. Sólo a estas bajas temperaturas, la fuerza entre las partículas es lo suficientemente fuerte como para formar una molécula. En estos conjuntos atómicos ultrafríos, la ionización de átomos individuales con campos láser prepara el primer bloque de construcción de la molécula: el ion. Otros rayos láser excitan un segundo átomo al estado de Rydberg. El campo eléctrico del ion deforma este átomo gigantesco. Curiosamente, la deformación puede ser atractiva o repulsiva en función de la distancia entre las dos partículas, lo que permite a los socios de unión oscilar en torno a una distancia de equilibrio e inducir el enlace molecular. La distancia entre las parejas de unión es inusualmente grande y equivale a una décima parte del grosor de un cabello humano.
Microscopía con ayuda de campos eléctricos
Un microscopio iónico especial hizo posible esta observación. Fue desarrollado, construido y encargado por los investigadores del 5º Instituto de Física en estrecha colaboración con los talleres de la Universidad de Stuttgart. A diferencia de los microscopios típicos que trabajan con luz, el dispositivo influye en la dinámica de las partículas cargadas con la ayuda de campos eléctricos para ampliarlas y obtener imágenes de ellas en un detector. "Con este microscopio pudimos obtener imágenes de la molécula que flota libremente y de sus componentes, y observar y estudiar directamente la alineación de esta molécula en nuestro experimento", explica Nicolas Zuber, estudiante de doctorado del V Instituto de Física, los resultados.
En un siguiente paso, los investigadores quieren estudiar los procesos dinámicos dentro de esta inusual molécula. Con la ayuda del microscopio, debería ser posible estudiar las vibraciones y rotaciones de la molécula. Debido a su gigantesco tamaño y a la débil unión de la molécula, los procesos dinámicos son más lentos en comparación con las moléculas habituales. El grupo de investigación espera obtener conocimientos nuevos y más detallados sobre la estructura interna de la molécula.
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