Seltsame trilobitenförmige Moleküle zum ersten Mal im Labor hergestellt: ScienceAlert

Zum ersten Mal ist es Physikern gelungen, im Labor eine seltsame, fragile Struktur zu erzeugen, die als Trilobiten-Rydberg-Molekül bekannt ist.

Der Aufbau und die Beobachtung dieser seltsamen Atomstrukturen hat Wissenschaftlern neue Einblicke in die Quantenaktivität von Elektronen gegeben, wenn sie sich in der Nähe von Atomen ausbreiten.

Da ihre chemischen Bindungen anders sind als alle anderen (wie wir sie kennen), eröffnen die Ergebnisse Möglichkeiten für die Entwicklung besserer theoretischer Modelle von Molekülen und das Verständnis ihrer Dynamik.

Rydberg-Moleküle werden aus einer Atomart erzeugt, die als a bekannt ist Rydberg-Atom. In einem normalen Atom gibt es einen Kern, der von einem kleinen Schwarm Elektronen umgeben ist. Fügt man dem Atom etwas Energie hinzu, schwillt der Elektronenschwarm ein wenig an, wodurch das Atom etwas größer und flexibler wird.

Ein Rydberg-Atom entsteht, wenn man viel Energie unter Bedingungen hinzufügt, die es ihm ermöglichen, seine Elektronen zu behalten. Es wölbt sich für ein Atom sehr groß, mehrere Mikrometer breit, und die Elektronen sind so locker wie möglich gebunden, ohne abzufliegen.

Da sie inkohärent sind, verhalten sich Rydberg-Atome übertrieben, was sie… Nützlich für die Durchführung von Experimenten.

Moleküle sind Anordnungen von Atomen, die auf irgendeine Weise zusammengeballt sind, beispielsweise durch gemeinsame Elektronen oder möglicherweise durch entgegengesetzte Ladungen. Wenn Sie ein Rydberg-Atom verwenden, erhalten Sie ein Rydberg-Molekül, aber die Art und Weise, wie die Atome zusammenhalten Sie können sich stark von Anleihen unterscheiden Was konventionellere Moleküle verbindet.

Sie können sehr unterschiedlich aussehen und Elektronenverteilungsmuster aufweisen, die beispielsweise einem ähneln können Trilobitenoder ein Schmetterling.

Unter der Leitung des Physikers Max Althon von der Universität Kaiserslautern-Landau hat ein Wissenschaftlerteam im Labor Herwig Ott erstmals reine Trilobiten-Rydberg-Moleküle hergestellt.

Sie begannen mit Rubidiumatomen, die auf eine Temperatur von nur 0,0001 Grad über dem absoluten Nullpunkt unterkühlt waren. Anschließend regten sie einige der Atome mithilfe von Lasern in Rydberg-Zustände an.

„Dabei wird das jeweils äußerste Elektron auf entfernte Bahnen um den Atomkörper gebracht.“ Sagt Ott. „Der Radius der Elektronenbahn kann mehr als einen Mikrometer betragen, wodurch die Elektronenwolke größer ist als ein kleines Bakterium.“

Ein Rydberg-Molekül kann erzeugt werden, indem ein Grundzustandsatom – das nicht in den Rydberg-Zustand angeregt wurde – in den aufgeblähten Elektronenschwarm eines Rydberg-Atoms gebracht wird, wo die beiden Atome nicht durch herkömmliche chemische Bindungen, sondern durch seltsame Bindungen zusammengehalten werden Quantengravitation. .

„Es ist die quantenmechanische Streuung des Rydberg-Elektrons vom Grundzustandsatom, die beide miteinander verbindet.“ Alton erklärt.

„Stellen Sie sich ein Elektron vor, das schnell den Kern umkreist. Bei jedem Umlauf kollidiert es mit einem Atom im Grundzustand. Entgegen unserer Intuition lehrt uns die Quantenmechanik, dass diese Kollisionen zu einer effektiven Anziehung zwischen dem Elektron und dem Atom im Grundzustand führen.“ ”

Durch wiederholte Kollisionen verteilen sich die Elektronen in einem Interferenzmuster ähnlich dem segmentierten Schild eines Trilobiten.

Es hat auch andere wunderbare und seltsame Eigenschaften. Die molekulare Bindungslänge ist ungefähr so ​​groß wie das Rydberg-Orbital, das im atomaren Maßstab sehr groß ist. Auch die Anziehungskraft zwischen dem Elektron und dem Grundzustandsatom ist sehr hoch.

Dies bedeutet, dass die Rydberg-Moleküle eine höhere haben Elektrisches Dipolmoment als jedes andere Molekül; Das heißt, die Trennung positiver und negativer elektrischer Ladungen, auch Polarität genannt.

Die von Alton und Kollegen beobachteten dreilappigen Rydberg-Moleküle haben ein elektrisches Dipolmoment von mehr als 1.700 Debye, was sehr hoch ist. Für Wassermoleküle beträgt dieser Wert weniger als 2 Debye.

Die Fähigkeit, reine Rydberg-Trilobiten nicht nur zu erschaffen, sondern sie auch zu erforschen, gibt Physikern ein neues Werkzeug an die Hand, um die Quantenwelt zu testen und zu verstehen.

Es gibt auch potenzielle Anwendungen für die Quanteninformationsverarbeitung. Die Forscher sagen, dass es umfassender eingesetzt werden könnte, um diese Fremdmoleküle bei verschiedenen Arten zu untersuchen.

„Zusammenfassend haben wir zwei Schwingungsketten reiner Rydberg-Trilobitenmoleküle mithilfe der optischen Drei-Photonen-Kohärenz gemessen.“ Sie schreiben. „Auf diese Weise sollte es möglich sein, Trilobitenpartikel in jedem Element mit einer negativen Wellendispersionslänge s zu erzeugen.“

Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.