NUOVO TIPO DI MOLECOLA CREATA IN LABORATORIO

Atomi che inglobano altri atomi

Assemblato per la prima volta il polarone di Rydberg: un particolare stato della materia in cui un atomo riesce ad aggregare attorno a sé un gran numero di altri atomi. Una nube ultra densa e fredda, compresa entro l’orbita eccezionalmente ampia dell’atomo al centro

Il complesso sistema di laser necessario per raffreddare il gas di stronzio a temperature vicine allo zero assoluto. Crediti: Jeff Fitlow/Rice University

Una ricerca congiunta fra Rice’s Center for Quantum Materials and theoretical physicists di Harvard e la University of Technology di Vienna ha portato alla creazione del polarone di Rydberg, un particolare stato della materia in cui un atomo, in questo caso di stronzio, si ”ricopre” di altri atomi. Per poterlo creare sono necessarie temperature vicinissime allo zero assoluto. I risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters.

Si tratta della combinazione di due fenomeni distinti: il polarone e l’atomo di Rydberg. Il polarone si ottiene quando un elettrone interagisce fortemente con i suoi paraggi, forzando le particelle e gli atomi vicini a ricoprirlo, una specie di pralinatura di atomi. Data la sua natura particolare, un polarone viene definito quasiparticella, ovvero l’insieme della particella e dell’ambiente che la circonda e con cui interagisce.

Nell’atomo di Rydberg, invece, gli elettroni vengono eccitati e portati lontano dal nucleo. La loro descrizione risale a oltre un secolo fa, a opera del fisico svedese Johannes Rydberg, e vengono ormai studiati e creati in laboratorio da decenni. Nello studio, gli atomi di stronzio venivano eccitati fino a far aumentare il diametro entro cui si trovano gli elettroni più esterni di mille volte, arrivando a dimensioni di un one micron.

L’elettrone (blu) orbita attorno al nucleo (rosso) – e la sua orbita racchiude molti altri atomi del condensato di Bose-Einstein (verde). Crediti: TU Wien

Questi atomi, con elettroni che si trovano assai più lontano dal nucleo rispetto al solito e che sembrano essere diventati “adesivi”, vengono fatti interagire con una nube ultra densa e fredda di altri atomi di stronzio (un condensato di Bose-Einstein), ricoprendosi di questi e “inglobandoli”: l’elettrone ad alta energia in orbita lontana può infatti arrivare a raccogliere centinaia di atomi all’interno della sua traiettoria.

Modulando con precisione impulsi laser e cambiamenti di campo elettrico è stato possibile quindi studiare con precisione i polaroni di Rydberg creati. Si tratta di strutture complesse mai osservate in natura, stabili solo a temperature di un milionesimo sopra lo zero assoluto. «Le leggi basilari della chimica che impariamo a scuola ci dicono come gli atomi si legano fra loro per formare le molecole e una profonda comprensione di questi principi è ciò che permette ai chimici e agli ingegneri di creare i materiali che usiamo quotidianamente», ha spiegato Tom Killian della Rice University, «ma queste leggi sono anche molto rigide. Solo certe combinazioni di atomi formano legami stabili in una molecola. Il nostro lavoro ha esplorato un nuovo tipo di molecola che non è descritta da nessuna tradizionale legge».

«Una cosa straordinaria è che puoi continuare ad attaccare un numero arbitrario di atomi a queste molecole. È come costruire con i mattoncini Lego, una cosa impossibile con le molecole tradizionali», ha aggiunto Killian. La scoperta avrà ricadute in moltissimi campi, fra cui la chimica teorica, la fisica della materia condensata, la fisica atomica e possibile applicazioni nello sviluppo dei computer quantistici.

Per saperne di più:

  • Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Creation of Rydberg Polarons in a Bose Gas” di F. Camargo, R. Schmidt, J. D. Whalen, R. Ding, G. Woehl, Jr., S. Yoshida, J. Burgdörfer, F. B. Dunning, H. R. Sadeghpour, E. Demler, and T. C. Killian