Físicos crean moléculas gigantes de trilobites
Los resultados son importantes para comprender sus mecanismos de enlace químico, que es distinto de todos los demás enlaces químicos
Físicos de Kaiserslautern del equipo del profesor Dr. Herwig Ott han logrado por primera vez observar directamente moléculas de Rydberg puras de trilobites. Especialmente interesante es que estas moléculas tienen una forma muy peculiar, que recuerda a los fósiles de trilobites. Al mismo tiempo, presentan los mayores momentos dipolares eléctricos de cualquier molécula conocida hasta ahora. Los investigadores utilizaron un aparato específico capaz de preparar estas frágiles moléculas a temperaturas ultrabajas. Los resultados son importantes para comprender sus mecanismos de enlace químico, que es distinto de todos los demás enlaces químicos. El estudio se ha publicado en la prestigiosa revista "Nature Communications".
Para su experimento, los físicos utilizaron una nube de átomos de rubidio que se enfrió en un vacío ultraalto a unos 100 microkelvin -0,0001 grados por encima del cero absoluto-. A continuación, excitaron con láser algunos de estos átomos hasta el llamado estado de Rydberg. "En este proceso, el electrón más externo en cada caso se lleva a órbitas lejanas alrededor del cuerpo atómico", explica el profesor Herwig Ott, que investiga los gases cuánticos ultrafríos y la óptica cuántica de átomos en la Universidad de Kaiserslautern-Landau. "El radio orbital del electrón puede ser superior a un micrómetro, lo que hace que la nube de electrones sea mayor que una pequeña bacteria". Estos átomos altamente excitados también se forman en el espacio interestelar y son químicamente muy reactivos.
Si un átomo en estado básico se encuentra ahora dentro de este átomo gigante de Rydberg, se forma una molécula. Mientras que los enlaces químicos estándar son covalentes, iónicos, metálicos o de naturaleza dipolar, las moléculas de trilobites se unen mediante un mecanismo completamente distinto. "Es la dispersión mecánica cuántica del electrón de Rydberg del átomo en estado fundamental lo que las une", explica Max Althön, primer autor del estudio. Althön lo explica mejor: "Imaginemos que el electrón orbita rápidamente alrededor del núcleo. En cada viaje de ida y vuelta, colisiona con el átomo en estado sólido. En contraste con nuestra intuición, la mecánica cuántica nos enseña que estas colisiones conducen a una atracción efectiva entre el electrón y el átomo en estado fundamental."
Las propiedades de estas moléculas son sorprendentes: Debido a la naturaleza ondulatoria del electrón, las múltiples colisiones dan lugar a un patrón de interferencia que parece un trilobite. Además, la longitud de enlace de la molécula es tan grande como la órbita de Rydberg, mucho mayor que la de cualquier otra molécula diatómica. Y como el electrón es atraído tan fuertemente por el átomo en estado fundamental, el momento dipolar eléctrico permanente es extremadamente grande: más de 1700 Debye.
Para observar estas moléculas, los científicos han desarrollado un aparato de vacío específico. Permite preparar átomos ultrafríos mediante enfriamiento por láser y la posterior detección espectroscópica de las moléculas. Los resultados ayudan a comprender mecanismos fundamentales de enlace entre átomos en estado básico y átomos Rydberg, que recientemente se han convertido también en una prometedora plataforma para aplicaciones de computación cuántica. El descubrimiento de los investigadores complementa la comprensión de los sistemas Rydberg, que pueden ser exóticos y útiles al mismo tiempo.
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