Os físicos da Technische Universität Kaiserslautern na equipe do Professor Dr. Herwig Ott conseguiram pela primeira vez na observação direta de colisões entre átomos altamente excitados, os chamados átomos de Rydberg, e átomos no estado fundamental. Particularmente interessante é que eles podem identificar com precisão os estados de energia dos átomos individuais, o que era impossível até agora. Os pesquisadores desenvolveram um microscópio personalizado para esse fim, com o qual eles foram capazes de medir diretamente os momentos dos átomos. Os processos observados são importantes para a compreensão do plasma interestelar e dos plasmas ultracold gerados em laboratório. O estudo foi publicado na renomada revista. Nature Communications .

Para seu experimento, os físicos usaram uma nuvem de átomos de rubídio que foi resfriada em um vácuo ultra-alto a cerca de 100 microkelvin - 0,0001 graus acima do zero absoluto. Subseqüentemente, eles excitaram alguns desses átomos em um chamado estado de Rydberg usando lasers. "Nesse processo, o elétron mais externo em cada caso é trazido para órbitas distantes ao redor do corpo atômico, "explica o professor Herwig Ott, que pesquisa gases quânticos ultracold e óptica de átomos quânticos na TU Kaiserslautern. "O raio orbital do elétron pode ter mais de um micrômetro, tornando a nuvem de elétrons maior do que uma pequena bactéria. ”Esses átomos altamente excitados também são formados no espaço interestelar e são quimicamente extremamente reativos.

Se um átomo de Rydberg e um átomo no estado fundamental entrarem em conflito, ocorre uma chamada colisão inelástica. "É quando o átomo no estado fundamental mergulha profundamente na órbita do elétron de Rydberg, "explica o professor Ott. O que se segue é que a dinâmica molecular dos dois átomos é altamente complexa e leva à sua separação, pelo qual a órbita do elétron mudou.

“Nesta mudança de estado, tanto o número quântico principal quanto o número quântico do momento angular do elétron podem mudar, "diz Philipp Geppert, quem é o primeiro autor do estudo. Geppert explica ainda que, com base na distribuição desses estados finais, é possível obter novos insights sobre os processos de colisão atômica onde grandes e pequenas distâncias internucleares são importantes.

Neste estado final, o elétron de Rydberg retorna a uma órbita mais próxima do núcleo atômico. No processo, energia é liberada, que é transferida na forma de energia cinética para ambos os átomos envolvidos. Devido à conservação do momento, os átomos se separam em direções opostas.

Os cientistas desenvolveram um microscópio de impulso especialmente para este experimento para observar esse movimento. O princípio básico é bastante simples:os átomos neutros são ionizados com um pulso de laser e direcionados para um detector sensível à posição por meio de um campo elétrico fraco. O ponto de impacto depende da velocidade inicial dos átomos e, portanto, indica seu momento. O microscópio é capaz de resolver as menores diferenças de velocidade, tornando assim possível identificar com precisão os estados finais dos átomos individuais.

Esse conhecimento ajuda a entender os processos atômicos fundamentais no plasma. O plasma é uma mistura de diferentes partículas, como elétrons, íons, átomos, e moléculas. Na pesquisa, plasma desempenha um papel importante, por exemplo, para estudar a interação entre as partículas mais de perto. Uma vez que também ocorre no espaço, os resultados do laboratório podem ser relevantes para a astrofísica, por exemplo, para entender melhor quais processos químicos e físicos ocorrem no espaço interestelar.

A pesquisa neste estudo ocorreu dentro do programa prioritário "Giant Interactions in Rydberg Systems, ", que é financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa. Esta pesquisa foi realizada na área de perfil OPTIMAS (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften - Centro de Pesquisa Estatal para Óptica e Ciências dos Materiais), que foi financiado como parte da iniciativa de pesquisa do estado desde 2008.