Pesquisadores do 5º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart verificaram um novo mecanismo de ligação formando uma molécula entre uma minúscula partícula carregada e um gigantesco (em termos moleculares) átomo de Rydberg. Os cientistas observaram a molécula com a ajuda de um microscópio de íons construído por eles mesmos. Os resultados são publicados na Nature .
Quando partículas únicas como átomos e íons se ligam, as moléculas emergem. Tais ligações entre duas partículas podem surgir se elas tiverem, por exemplo, cargas elétricas opostas e, portanto, forem capazes de atrair uma à outra. A molécula observada na Universidade de Stuttgart exibe uma característica especial:consiste em um íon carregado positivamente e um átomo neutro no chamado estado de Rydberg. Esses átomos de Rydberg cresceram mil vezes em tamanho em comparação com os átomos típicos. À medida que a carga do íon deforma o átomo de Rydberg de uma maneira muito específica, surge a ligação entre as duas partículas.

Para verificar e estudar a molécula, os pesquisadores prepararam uma nuvem de rubídio ultra-fria, que foi resfriada perto do zero absoluto a -273 graus Celsius. Somente nessas baixas temperaturas a força entre as partículas é forte o suficiente para formar uma molécula. Nesses conjuntos atômicos ultrafrios, a ionização de átomos individuais com campos de laser prepara o primeiro bloco de construção da molécula – o íon.

Feixes de laser adicionais excitam um segundo átomo para o estado de Rydberg. O campo elétrico do íon deforma esse átomo gigantesco. Curiosamente a deformação pode ser atrativa ou repulsiva dependendo da distância entre as duas partículas, deixando os parceiros de ligação oscilarem em torno de uma distância de equilíbrio e induzindo a ligação molecular. A distância entre os parceiros de ligação é extraordinariamente grande e equivale a cerca de um décimo da espessura de um fio de cabelo humano.

Microscopia com auxílio de campos elétricos

Um microscópio de íons especial tornou essa observação possível. Foi desenvolvido, construído e encomendado pelos pesquisadores do 5º Instituto de Física em estreita colaboração com as oficinas da Universidade de Stuttgart. Em contraste com os microscópios típicos que trabalham com luz, o dispositivo influencia a dinâmica das partículas carregadas com a ajuda de campos elétricos para ampliar e visualizar as partículas em um detector. "Podemos imaginar a molécula flutuante livre e seus constituintes com este microscópio e observar e estudar diretamente o alinhamento dessa molécula em nosso experimento", explica Nicolas Zuber, Ph.D. estudante do 5º Instituto de Física.

Em um próximo passo, os pesquisadores querem estudar processos dinâmicos dentro dessa molécula incomum. Com a ajuda do microscópio, deve ser possível estudar as vibrações e rotações da molécula. Devido ao seu tamanho gigantesco e à fraca ligação da molécula, os processos dinâmicos são mais lentos em comparação com as moléculas usuais. O grupo de pesquisa espera obter novos e mais detalhados conhecimentos sobre a estrutura interna da molécula. + Explorar mais

Ligação atômica fraca, teorizada há 14 anos, observada pela primeira vez