Usando lasers, Físicos norte-americanos e austríacos persuadiram átomos de estrôncio ultracold em estruturas complexas, ao contrário de qualquer outra vista na natureza.

"Estou surpreso por termos descoberto uma nova maneira de os átomos se reunirem, "disse o físico Tom Killian da Rice University." Isso mostra como as leis da física e da química podem ser ricas. "Killian é o cientista-chefe em um novo artigo na Physical Review Letters (PRL) que resumiu as descobertas experimentais do grupo.

Killian se juntou a físicos experimentais do Centro de Materiais Quânticos de Rice e físicos teóricos da Universidade de Harvard e da Universidade de Tecnologia de Viena no projeto de dois anos para criar "polarons de Rydberg" de átomos de estrôncio que eram pelo menos 1 milhão de vezes mais frios que o espaço profundo.

As descobertas da equipe, que são resumidos no artigo PRL e um estudo teórico companheiro que aparece esta semana em Revisão Física A (PRA), revelam algo novo sobre a natureza básica da matéria, Disse Killian.

"As leis básicas que aprendemos nas aulas de química nos dizem como os átomos se unem para formar moléculas, e uma compreensão profunda desses princípios é o que permite que químicos e engenheiros façam os materiais que usamos em nosso dia a dia, "disse ele." Mas essas leis também são bastante rígidas. Apenas certas combinações de átomos formarão ligações estáveis ​​em uma molécula. Nosso trabalho explorou um novo tipo de molécula que não é descrito por nenhuma das regras tradicionais para ligar átomos. "

Killian disse que as novas moléculas só são estáveis ​​em temperaturas extraordinariamente baixas - cerca de um milionésimo de grau acima do zero absoluto. Em temperaturas tão baixas, os átomos constituintes permanecem parados o tempo suficiente para se tornarem "colados" em um novo, estruturas complexas, ele disse.

"Uma coisa incrível é que você pode manter anexando um número arbitrário de átomos a essas moléculas, "Disse Killian." É como prender blocos de Lego, o que você não pode fazer com os tipos tradicionais de moléculas. "

Ele disse que a descoberta será de interesse para químicos teóricos, físicos da matéria condensada, físicos atômicos e físicos que estão estudando átomos de Rydberg para uso potencial em computadores quânticos.

"A natureza tira proveito de uma fascinante caixa de ferramentas de truques para ligar átomos e formar moléculas e materiais, "Disse Killian." À medida que descobrimos e entendemos esses truques, satisfazemos nossa curiosidade inata sobre o mundo em que vivemos, e muitas vezes pode levar a avanços práticos, como novos medicamentos terapêuticos ou células solares de captação de luz. É muito cedo para dizer se alguma aplicação prática virá de nosso trabalho, mas pesquisas básicas como essa são necessárias para descobrir as grandes descobertas de amanhã. "

Os esforços da equipe se concentraram em fazer, medir e prever o comportamento de um estado específico da matéria, denominado polaron Rydberg, uma combinação de dois fenômenos distintos, Átomos e polarons de Rydberg.

Em átomos de Rydberg, um ou mais elétrons são excitados com uma quantidade precisa de energia, de modo que orbitam longe do núcleo do átomo. Os átomos de Rydberg podem ser descritos com regras simples escritas há mais de um século pelo físico sueco Johannes Rydberg. Eles foram estudados em laboratórios por décadas e acredita-se que existam em regiões frias do espaço profundo. Os átomos de Rydberg no estudo PRL tinham até um mícron de largura, cerca de 1, 000 vezes maior do que átomos de estrôncio normais.

Polarons são criados quando uma única partícula interage fortemente com seu ambiente e causa elétrons próximos, íons ou átomos se reorganizam e formam uma espécie de revestimento que a partícula carrega consigo. O polaron em si é um coletivo - um objeto unificado conhecido como quasipartícula - que incorpora propriedades da partícula original e seu ambiente.

Os polarons Rydberg são uma nova classe de polarons em que a alta energia, O elétron em órbita distante reúne centenas de átomos em sua órbita à medida que se move através de um denso, nuvem ultracold. Nos experimentos do Rice, os pesquisadores começaram criando uma nuvem super-resfriada de várias centenas de milhares de átomos de estrôncio. Ao coordenar o tempo dos pulsos de laser com as mudanças no campo elétrico, os pesquisadores foram capazes de criar e contar polarons Rydberg um por um, em última análise, formando milhões deles para seu estudo.

Embora os polarons Rydberg tenham sido criados anteriormente com rubídio, o uso de estrôncio permitiu aos físicos resolver mais claramente a energia dos átomos de Rydberg revestidos de uma forma que revelou características universais até então invisíveis.

"Dou muito crédito aos teóricos, "disse Killian, professor de física e astronomia. "Eles desenvolveram técnicas poderosas para calcular a estrutura de centenas de partículas em interação, a fim de interpretar nossos resultados e identificar as assinaturas dos polarons de Rydberg.

"Do ponto de vista experimental, foi um desafio fazer e medir esses polarons, "ele disse." Cada um viveu por apenas alguns microssegundos antes que colisões com outras partículas o separassem. Tivemos que usar técnicas muito sensíveis para contar esses objetos frágeis e fugazes. "