Pela primeira vez, os físicos conseguiram criar um tipo de estrutura estranha e frágil em laboratório, conhecida como molécula trilobita de Rydberg.
Construir e observar essas estruturas atômicas exóticas deu aos cientistas novos insights sobre a atividade quântica dos elétrons à medida que eles se espalham perto dos átomos.
Uma vez que as suas ligações químicas são diferentes de todas as outras (que conhecemos), as descobertas abrem caminhos para o desenvolvimento de melhores modelos teóricos de moléculas e para a compreensão da sua dinâmica.
As moléculas de Rydberg são criadas a partir de um tipo de átomo conhecido como átomo de Rydberg. Num átomo normal, você tem o núcleo, rodeado por seu pequeno enxame de elétrons. Se você adicionar apenas um pouco de energia ao átomo, o enxame de elétrons incha um pouco, tornando o átomo um pouquinho maior e mais solto.
Um átomo de Rydberg é o que você obtém quando adiciona muita energia sob condições que permitem que ele ainda retenha seus elétrons. Ele incha bastante, para um átomo, com muitos mícrons de diâmetro, e os elétrons estão tão frouxamente ligados quanto podem, sem voar.
Por serem tão soltos, os átomos de Rydberg se comportam de maneira exagerada, o que os torna úteis para a realização de experimentos.
Moléculas são arranjos de átomos que se agrupam de alguma forma, como por meio de elétrons coparentais ou talvez por meio de cargas contrastantes. Se você usar um átomo de Rydberg, obterá uma molécula de Rydberg, mas a forma como os átomos se unem pode ser muito diferente das ligações que unem moléculas mais convencionais.
E podem ter uma aparência muito diferente, com padrões de distribuição de elétrons que podem se assemelhar, digamos, a trilobitas ou a uma borboleta.
Liderada pelo físico Max Althön, da Universidade de Kaiserslautern-Landau, uma equipe de cientistas do laboratório de Herwig Ott criou, pela primeira vez, moléculas trilobitas de Rydberg puras.
Eles começaram com átomos de rubídio, ultra-resfriados a apenas 0,0001 graus acima do zero absoluto. Então, eles usaram um laser para excitar alguns dos átomos nos estados de Rydberg.
“Neste processo, o elétron mais externo em cada caso é levado para órbitas distantes ao redor do corpo atômico”, diz Ott. “O raio orbital do elétron pode ser superior a um micrômetro, tornando a nuvem eletrônica maior do que uma pequena bactéria.”
Uma molécula de Rydberg pode ser criada trazendo um átomo do estado fundamental – um que não foi excitado para um estado de Rydberg – no enxame de elétrons do átomo de Rydberg, os dois átomos unindo-se não por ligações químicas padrão, mas por uma estranha atração quântica.
“É o espalhamento da mecânica quântica do elétron de Rydberg do átomo do estado fundamental, que une os dois”, explica Althön.
“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.”
Devido às repetidas colisões, os elétrons são distribuídos em um padrão de interferência que se assemelha à carapaça segmentada de um trilobita.
Também tem algumas outras propriedades fascinantes e estranhas. O comprimento da ligação molecular é quase do mesmo tamanho da órbita de Rydberg, ou seja, bastante grande para escalas atômicas. E a força da atração entre o elétron e o átomo do estado fundamental também é bastante alta.
Isto significa que as moléculas de Rydberg têm um momento dipolar elétrico mais elevado do que qualquer outra molécula; isto é, a separação entre cargas elétricas positivas e negativas, também conhecida como polaridade.
As moléculas de trilobita Rydberg observadas por Althön e seus colegas têm um momento de dipolo elétrico de mais de 1.700 debye, e isso é extremamente alto. Para moléculas de água, esta medida é inferior a 2 debye.
A capacidade não apenas de criar, mas também de sondar moléculas trilobitas de Rydberg puras dá aos físicos uma nova ferramenta para testar e compreender o reino quântico.
Também tem aplicações potenciais para processamento quântico de informações. E, dizem os pesquisadores, poderia ser aplicado de forma mais ampla no estudo dessas moléculas estranhas em diferentes espécies.
“Em conclusão, medimos duas séries vibracionais de moléculas trilobitas de Rydberg puras, empregando fotoassociação de três fótons”, escrevem eles. “Com este método, a criação de moléculas trilobita de Rydberg em qualquer elemento que tenha um comprimento de espalhamento de onda S negativo deve ser possível.”
A pesquisa foi publicada na Nature Communications.
Publicado no ScienceAlert
