Os físicos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) conseguiram formar moléculas diatômicas gigantes e depois detectá-las opticamente usando uma objetiva de alta resolução.

O tamanho minúsculo das moléculas diatômicas convencionais no regime sub-nanométrico dificulta a resolução óptica direta de seus constituintes. Físicos da Quantum Many Body Division no MPQ liderados pelo Prof. Immanuel Bloch foram capazes de ligar pares de átomos altamente excitados a uma distância de um micrômetro. O enorme comprimento da ligação - comparável a pequenas células biológicas como o E. coli bactérias - permite um estudo microscópico da estrutura de ligação subjacente resolvendo opticamente ambos os átomos ligados.

O pequeno tamanho e a interação de todos os elétrons contribuintes tornam muito complicado estudar experimentalmente e teoricamente as ligações moleculares de uma maneira altamente detalhada. Mesmo a mera estrutura de átomos, os blocos de construção fundamentais das ligações químicas, não pode ser calculado analiticamente. Apenas o átomo de hidrogênio - que é o primeiro e mais simples elemento da tabela periódica, consistindo apenas em um único próton e um único elétron - pode ser calculado com precisão. A transição dos átomos para as moléculas aumenta ainda mais a dificuldade. Porque quase todos os átomos do nosso planeta estão ligados a moléculas, perceber a estrutura da ligação molecular é essencial para compreender as propriedades materiais de nosso ambiente. Átomos com um único elétron em um estado altamente excitado, os chamados átomos de Rydberg, transferir a estrutura simples de um átomo de hidrogênio para átomos que são mais complexos porque o único elétron excitado está muito longe do núcleo e dos outros elétrons. Além disso, Os átomos de Rydberg ganharam muita atenção nos últimos anos devido às suas fortes interações, que podem ser medidos até mesmo à distância mícron e já são usados ​​no campo da simulação quântica e computação quântica.

A equipe em torno de Immanuel Bloch e Christian Groß agora pode usar essas interações para ligar dois átomos de Rydberg usando luz laser. "Devido à teoria comparativamente simples dos átomos de Rydberg, os estados vibracionais espectroscopicamente resolvidos das moléculas resultantes estão em concordância quantitativa com os níveis de energia calculados teoricamente. Além disso, o grande tamanho permite um acesso microscópico direto ao comprimento da ligação e à orientação da molécula excitada, "diz Simon Hollerith, Ph.D. aluno e primeiro autor do estudo.

No experimento, os físicos começaram com uma matriz de átomos bidimensionais com distâncias interatômicas de 0,53 µm, onde cada local da matriz foi inicialmente ocupado por exatamente um átomo. A rede óptica subjacente que fixa os átomos do estado fundamental na posição inicial foi criada por feixes de laser interferentes. Como as moléculas associadas foram repelidas da rede, a excitação da molécula leva a dois sítios de rede vazios separados por um comprimento de ligação, que corresponde a uma distância de uma diagonal da rede no caso deste trabalho. Depois de um pulso de excitação, a ocupação do átomo restante da rede foi medida com uma objetiva de alta resolução e as moléculas foram identificadas como sítios vazios correlacionados. Usando este método de detecção microscópica, os físicos também puderam mostrar que a orientação das moléculas excitadas para diferentes ressonâncias moleculares estava alternando entre o alinhamento paralelo e perpendicular em relação à polarização da luz de excitação. O motivo é um efeito de interferência baseado na estrutura eletrônica, bem como no grau de liberdade vibracional da molécula, que também previsto pela expectativa teórica.

Para o futuro, a equipe do MPQ planeja usar as novas ressonâncias moleculares para simulação quântica de sistemas quânticos de muitos corpos. Os estados ligados de dois átomos de Rydberg podem ser usados ​​para projetar grandes intensidades de interação à distância de um comprimento de ligação.