As propriedades eletrônicas da matéria condensada são frequentemente determinadas por uma competição intrincada entre a energia cinética que visa a sobrepor e deslocar funções de ondas eletrônicas através da rede cristalina, e localização de interações elétron-elétron. Em contraste, a fase gasosa é caracterizada por elétrons de valência firmemente localizados em torno dos núcleos de átomos iônicos em estados quânticos discretos com energias bem definidas. Como um híbrido exótico de ambas as situações, alguém pode se perguntar qual estado da matéria é criado quando um gás de átomos isolados é repentinamente excitado a um estado onde as funções de onda eletrônica se sobrepõem espacialmente, como em um sólido?

Uma fase tão exótica da matéria, Contudo, até agora tem sido impossível criar em princípio. Aqui, Professor Kenji Ohmori, Instituto de Ciência Molecular, Institutos Nacionais de Ciências Naturais do Japão, e seus colegas de trabalho perceberam um híbrido exótico com funções de onda eletrônicas de alto nível sobrepostas (Rydberg) criadas coerentemente em apenas 10 picossegundos por excitação de laser ultrarrápida em um microcristal artificial de átomos ultracold. O grau de sobreposição espacial é ativamente ajustado com precisão e exatidão de quase 50 nanômetros. Este gás quântico exótico semelhante a um metal sob controle requintado e de longa duração, decaindo em nanossegundos, abre um regime completamente novo de física de muitos corpos para simular a dinâmica eletrônica ultrarrápida de muitos corpos dominada pelas interações de Coulomb.

O experimento foi realizado com um conjunto de 30, 000 átomos de rubídio na fase gasosa. Foi resfriado a uma temperatura abaixo de um milionésimo de 1 Kelvin acima de uma temperatura de zero absoluto por resfriamento a laser / evaporativo. Esses átomos ultracold no estado quântico energeticamente mais baixo, referido como condensado de Bose-Einstein, são carregados em uma rede cúbica de armadilhas ópticas formadas com feixes de laser contra-propagação, resultando em um microcristal artificial que consiste em 30, 000 átomos, cuja distância do vizinho mais próximo é de 0,5 mícron. Este microcristal com um tamanho de algumas dezenas de micrômetros foi irradiado com um pulso de laser ultracurto cuja largura de pulso era de 10 pico-segundos. Foi então observado que um elétron confinado em cada um dos átomos vizinhos foi excitado em seu orbital eletrônico gigante (orbital Rydberg), de modo que eles se sobrepuseram espacialmente. O grau de sobreposição foi perfeitamente controlado com quase 50 nanômetros de precisão e exatidão, alterando a frequência do laser que seleciona o orbital.

Quando os orbitais desses elétrons fracamente ligados se sobrepõem uns aos outros e os átomos começam a compartilhar seus orbitais, eles entram em um novo regime de gás quântico semelhante ao metal. O Prof. Ohmori e seus colegas de trabalho criaram, pela primeira vez, um gás quântico semelhante a um metal. Esta fase de matéria exótica é esperada como uma plataforma inovadora para simulação quântica de dinâmica eletrônica ultrarrápida de muitos corpos dominada por interações de Coulomb que aumentariam nossa compreensão das propriedades físicas da matéria, incluindo supercondutividade e magnetismo, e poderia contribuir para a inovação disruptiva no desenvolvimento de novos materiais funcionais.

O estudo é publicado em Cartas de revisão física .