Kaiserslauterner Physikern um Professor Dr. Herwig Ott ist es erstmals gelungen, reine Trilobiten-Rydberg-Moleküle direkt zu beobachten. Besonders interessant ist, dass diese Moleküle eine ganz besondere Form haben, die an Trilobitenfossilien erinnert. Sie haben auch die größten elektrischen Dipolmomente aller bisher bekannten Moleküle.
Die Forscher verwendeten eine spezielle Vorrichtung, die in der Lage ist, diese fragilen Moleküle bei extrem niedrigen Temperaturen herzustellen. Die Ergebnisse offenbaren ihre chemischen Bindungsmechanismen, die sich von allen anderen chemischen Bindungen unterscheiden. Die Studie war veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
Für ihr Experiment nutzten die Physiker eine Wolke aus Rubidiumatomen, die im Ultrahochvakuum auf etwa 100 Mikrokelvin – 0,0001 Grad über dem absoluten Nullpunkt – abgekühlt wurde. Anschließend haben sie einige dieser Atome mit Lasern in einen sogenannten Rydberg-Zustand angeregt. „Dabei wird das jeweils äußerste Elektron auf weit entfernte Bahnen um den Atomkörper gebracht“, erklärt Professor Herwig Ott, der an der Universität Kaiserslautern-Landau zu ultrakalten Quantengasen und Quantenatomoptik forscht.
„Der Umlaufradius des Elektrons kann mehr als einen Mikrometer betragen, wodurch die Elektronenwolke größer ist als ein kleines Bakterium.“ Solche hoch angeregten Atome entstehen auch im interstellaren Raum und sind chemisch äußerst reaktiv.
Befindet sich nun innerhalb dieses riesigen Rydberg-Atoms ein Grundzustandsatom, entsteht ein Molekül. Während herkömmliche chemische Bindungen entweder kovalenter, ionischer, metallischer oder dipolarer Natur sind, erfolgt die Bindung der Trilobitenmoleküle durch einen völlig anderen Mechanismus.
„Es ist die quantenmechanische Streuung des Rydberg-Elektrons vom Grundzustandsatom, die die beiden zusammenhält“, sagt Max Althön, der Erstautor der Studie. „Stellen Sie sich das Elektron vor, das schnell um den Kern kreist. Bei jedem Umlauf kollidiert es mit dem Grundzustandsatom. Im Gegensatz zu unserer Intuition lehrt uns die Quantenmechanik, dass diese Kollisionen zu einer effektiven Anziehung zwischen dem Elektron und dem Grundzustandsatom führen.“ „
Die Eigenschaften dieser Moleküle sind erstaunlich: Aufgrund der Wellennatur des Elektrons führen die mehrfachen Kollisionen zu einem Interferenzmuster, das einem Trilobit ähnelt. Darüber hinaus ist die Bindungslänge des Moleküls so groß wie die Rydberg-Umlaufbahn – sehr viel größer als bei jedem anderen zweiatomigen Molekül. Und weil das Elektron so stark vom Grundzustandsatom angezogen wird, ist das permanente elektrische Dipolmoment extrem groß: mehr als 1.700 Debye.
Um diese Moleküle beobachten zu können, haben die Wissenschaftler eine spezielle Vakuumapparatur entwickelt. Es ermöglicht die Herstellung ultrakalter Atome durch Laserkühlung und anschließende spektroskopische Detektion der Moleküle. Die Ergebnisse helfen uns, grundlegende Bindungsmechanismen zwischen Grundzustandsatomen und Rydberg-Atomen zu verstehen, die sich in letzter Zeit zu einer vielversprechenden Plattform für Quantencomputeranwendungen entwickelt haben. Die Entdeckung der Forscher ergänzt das Verständnis von Rydberg-Systemen, die exotisch und nützlich zugleich sein können.
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Max Althön et al., Erforschung der Schwingungsreihe reiner Trilobiten-Rydberg-Moleküle, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43818-7
Bereitgestellt von der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau