Os físicos de Kaiserslautern, da equipe do professor Dr. Herwig Ott, conseguiram pela primeira vez observar diretamente moléculas puras de trilobita Rydberg. Particularmente interessante é que estas moléculas têm uma forma muito peculiar, que lembra fósseis de trilobitas. Eles também têm os maiores momentos de dipolo elétrico de qualquer molécula conhecida até agora.



Os pesquisadores usaram um aparelho dedicado capaz de preparar essas moléculas frágeis em temperaturas ultrabaixas. Os resultados revelam os seus mecanismos de ligação química, que são distintos de todas as outras ligações químicas. O estudo foi publicado na revista Nature Communications .

Para a sua experiência, os físicos usaram uma nuvem de átomos de rubídio que foi arrefecida num vácuo ultra-alto até cerca de 100 microkelvin – 0,0001 graus acima do zero absoluto. Posteriormente, eles excitaram alguns desses átomos para o chamado estado de Rydberg usando lasers. “Neste processo, o elétron mais externo em cada caso é levado para órbitas distantes ao redor do corpo atômico”, explica o professor Herwig Ott, que pesquisa gases quânticos ultrafrios e óptica de átomos quânticos na Universidade de Kaiserslautern-Landau.

"O raio orbital do elétron pode ser superior a um micrômetro, tornando a nuvem eletrônica maior do que uma pequena bactéria." Esses átomos altamente excitados também são formados no espaço interestelar e são quimicamente extremamente reativos.

Se um átomo do estado fundamental estiver agora localizado dentro deste átomo gigante de Rydberg, uma molécula é formada. Embora as ligações químicas padrão sejam covalentes, iônicas, metálicas ou de natureza dipolar, as moléculas de trilobita são ligadas por um mecanismo completamente diferente.

“É a dispersão da mecânica quântica do elétron de Rydberg do átomo do estado fundamental, que une os dois”, diz Max Althön, primeiro autor do estudo. "Imagine o elétron orbitando rapidamente ao redor do núcleo. Em cada viagem de ida e volta, ele colide com o átomo do estado fundamental. Em contraste com a nossa intuição, a mecânica quântica nos ensina que essas colisões levam a uma atração efetiva entre o elétron e o átomo do estado fundamental. "

As propriedades dessas moléculas são surpreendentes:devido à natureza ondulatória do elétron, as múltiplas colisões levam a um padrão de interferência que se parece com um trilobita. Além disso, o comprimento da ligação da molécula é tão grande quanto a órbita de Rydberg – muito maior do que qualquer outra molécula diatômica. E como o elétron é fortemente atraído pelo átomo do estado fundamental, o momento de dipolo elétrico permanente é extremamente grande:mais de 1.700 Debye.

Para observar essas moléculas, os cientistas desenvolveram um aparelho de vácuo dedicado. Ele permite a preparação de átomos ultrafrios por meio de resfriamento a laser e posterior detecção espectroscópica das moléculas. Os resultados nos ajudam a compreender os mecanismos fundamentais de ligação entre os átomos do estado fundamental e os átomos de Rydberg, que recentemente se tornaram uma plataforma promissora para aplicações de computação quântica. A descoberta dos pesquisadores complementa a compreensão dos sistemas Rydberg, que podem ser exóticos e úteis ao mesmo tempo.

Mais informações: Max Althön et al, Explorando a série vibracional de moléculas puras de trilobita Rydberg, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43818-7
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido por Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau