Físicos del Instituto Max Planck para Óptica Cuántica (MPQ) han logrado formar moléculas diatómicas gigantes y luego detectarlas ópticamente utilizando un objetivo de alta resolución.

El pequeño tamaño de las moléculas diatómicas convencionales en el régimen sub-nanómetro dificulta la resolución óptica directa de sus constituyentes. Los físicos de Quantum Many Body Division en MPQ liderados por el profesor Immanuel Bloch pudieron unir pares de átomos altamente excitados a una distancia de un micrómetro. Publicaron sus resultados en Science.

La enorme longitud del enlace, comparable a las células biológicas pequeñas como la bacteria E. coli, permite un estudio microscópico de la estructura de unión subyacente mediante la resolución óptica de ambos átomos unidos.

El pequeño tamaño y la interacción de todos los electrones contribuyentes hacen que sea muy complicado estudiar experimentalmente y teóricamente los enlaces moleculares de una manera muy detallada. Incluso la mera estructura de los átomos, los bloques de construcción fundamentales de los enlaces químicos, no se pueden calcular analíticamente.

Solo el átomo de hidrógeno, que es el primer y más simple elemento de la tabla periódica, que consta de un solo protón y un solo electrón, se puede calcular con precisión. La transición de los átomos a las moléculas aumenta la dificultad aún más.

Debido a que casi todos los átomos en nuestro planeta están unidos por moléculas, percibir la estructura de unión molecular es esencial para comprender las propiedades materiales de nuestro medio ambiente. Los átomos con un solo electrón en un estado altamente excitado, los llamados átomos de Rydberg, transfieren la estructura simple de un átomo de hidrógeno a los átomos que son más complejos porque el único electrón excitado está muy lejos del núcleo y los otros electrones.

Además, los átomos de Rydberg ganaron mucha atención en los últimos años debido a sus fuertes interacciones, que pueden medirse incluso a una distancia de micras y ya se usan en el campo de la simulación cuántica y el cálculo cuántico.

El equipo alrededor de Immanuel Bloch y Christian Gros ahora podría usar estas interacciones para unir dos átomos de Rydberg mediante el uso de luz láser. «Debido a la teoría comparativamente simple de los átomos de Rydberg, los estados vibracionales resueltos espectroscópicamente de las moléculas resultantes están en acuerdo cuantitativo con los niveles de energía calculados teóricamente. Además, el gran tamaño permite un acceso microscópico directo a la longitud del enlace y la orientación de la molécula excitada», dice Simon Hollerith, estudiante de doctorado y primer autor del estudio.

En el experimento, los físicos comenzaron con una matriz de átomos bidimensionales con distancias interatómicas de 0,53 micrometros, donde cada sitio de la matriz estaba inicialmente ocupado por exactamente un átomo. La red óptica subyacente que fija los átomos del estado fundamental en la posición inicial fue creada por rayos láser interferentes.

Debido a que las moléculas asociadas fueron repelidas de la red, la excitación de la molécula conduce a dos sitios de red vacíos separados por una longitud de enlace, que corresponde a una distancia de una diagonal de red en el caso de este trabajo. Después de un pulso de excitación, la ocupación del átomo restante de la red se midió con un objetivo de alta resolución y las moléculas se identificaron como sitios vacíos correlacionados.

Usando este método de detección microscópica, los físicos podrían demostrar adicionalmente que la orientación de las moléculas excitadas para diferentes resonancias moleculares alternaba entre la alineación paralela y perpendicular en relación con la polarización de la luz de excitación. La razón es un efecto de interferencia basado en la estructura electrónica, así como en el grado de libertad de vibración de la molécula, que también predice la expectativa teórica.

Para el futuro, el equipo del MPQ planea usar las nuevas resonancias moleculares para la simulación cuántica de muchos sistemas corporales cuánticos. Los estados unidos de dos átomos de Rydberg se pueden usar para diseñar grandes fuerzas de interacción a la distancia de una longitud de enlace.

Fuente: europapress.es