Por primera vez, los físicos han logrado crear en un laboratorio una especie de estructura extraña y frágil conocida como molécula de trilobites de Rydberg.
La construcción y observación de estas exóticas estructuras atómicas ha brindado a los científicos nuevos conocimientos sobre la actividad cuántica de los electrones cuando se dispersan cerca de los átomos.
Dado que sus enlaces químicos no se parecen a ningún otro (que sepamos), los hallazgos abren vías para desarrollar mejores modelos teóricos de moléculas y comprender su dinámica.
Las moléculas de Rydberg se crean a partir de un tipo de átomo conocido como Átomo de Rydberg. En un átomo normal, tienes el núcleo, rodeado por su pequeño enjambre de electrones. Si agregas solo un poco de energía al átomo, el enjambre de electrones se hincha un poco, haciendo que el átomo sea un poquito más grande y más suelto.
Un átomo de Rydberg es lo que se obtiene cuando se le añade mucha energía en condiciones que le permiten retener sus electrones. Se hincha bastante, para un átomo, muchas micras de diámetro, y los electrones están tan débilmente unidos como pueden sin salir volando.
Debido a que son tan flojos, los átomos de Rydberg se comportan de una manera exagerada, lo que los hace útil para realizar experimentos.
Las moléculas son disposiciones de átomos que se unen de alguna manera, como por ejemplo mediante la compartición de electrones o quizás mediante cargas contrastantes. Si usas un átomo de Rydberg, obtienes una molécula de Rydberg, pero la forma en que los átomos se adhieren entre sí puede ser muy diferente de los bonos que unen moléculas más convencionales.
Y pueden verse muy diferentes, con patrones de distribución de electrones que pueden parecerse, por ejemplo, a un trilobiteso un mariposa.
Dirigido por el físico Max Althön de la Universidad de Kaiserslautern-Landau, un equipo de científicos del laboratorio de Herwig Ott ha creado, por primera vez, moléculas puras de trilobites de Rydberg.
Comenzaron con átomos de rubidio, ultraenfriados a sólo 0,0001 grados por encima del cero absoluto. Luego, utilizaron un láser para excitar algunos de los átomos a estados de Rydberg.
“En este proceso, el electrón más externo es llevado en cada caso a órbitas lejanas alrededor del cuerpo atómico”, Ott dice. “El radio orbital del electrón puede ser de más de un micrómetro, lo que hace que la nube de electrones sea más grande que una pequeña bacteria”.
Se puede crear una molécula de Rydberg llevando un átomo en estado fundamental, uno que no ha sido excitado a un estado de Rydberg, en el hinchado enjambre de electrones del átomo de Rydberg, los dos átomos se unen no mediante enlaces químicos estándar, sino por una extraña atracción cuántica. .
“Es la dispersión mecánica cuántica del electrón de Rydberg del átomo en estado fundamental lo que une a los dos”. Althön explica.
“Imagínese el electrón orbitando rápidamente alrededor del núcleo. En cada viaje de ida y vuelta, choca con el átomo en estado fundamental. A diferencia de nuestra intuición, la mecánica cuántica nos enseña que estas colisiones conducen a una atracción efectiva entre el electrón y el átomo en estado fundamental. “
Debido a las repetidas colisiones, los electrones se distribuyen en un patrón de interferencia que se asemeja al caparazón segmentado de un trilobites.
También tiene otras propiedades fascinantes y extrañas. La longitud del enlace molecular es casi del mismo tamaño que la órbita de Rydberg, es decir, bastante grande para escalas atómicas. Y la fuerza de atracción entre el electrón y el átomo en estado fundamental también es bastante alta.
Esto significa que las moléculas de Rydberg tienen una mayor momento dipolar eléctrico que cualquier otra molécula; es decir, la separación entre cargas eléctricas positivas y negativas, también conocida como polaridad.
Las moléculas de trilobites de Rydberg observadas por Althön y sus colegas tienen un momento dipolar eléctrico de más de 1.700 debye, lo que es extremadamente alto. Para las moléculas de agua, esta medida es inferior a 2 debye.
La capacidad no sólo de crear, sino también de probar moléculas de trilobites puros de Rydberg, brinda a los físicos una nueva herramienta para probar y comprender el reino cuántico.
También tiene aplicaciones potenciales para el procesamiento de información cuántica. Y, dicen los investigadores, podría aplicarse de manera más amplia para estudiar estas extrañas moléculas en diferentes especies.
“En conclusión, hemos medido dos series vibratorias de moléculas de trilobites Rydberg puros empleando fotoasociación de tres fotones”. escriben. “Con este método, debería ser posible la creación de moléculas de trilobites en cualquier elemento que tenga una longitud de dispersión de onda S negativa”.
La investigación ha sido publicada en Comunicaciones de la naturaleza.