Des physiciens de la Technische Universität Kaiserslautern dans l'équipe du professeur Dr. Herwig Ott ont réussi pour la première fois à observer directement des collisions entre des atomes hautement excités, les atomes dits de Rydberg, et les atomes dans l'état fondamental. Particulièrement intéressant est qu'ils peuvent identifier avec précision les états d'énergie des atomes individuels, ce qui était impossible jusqu'à présent. Les chercheurs ont développé un microscope sur mesure à cet effet, avec laquelle ils ont pu mesurer directement les moments des atomes. Les processus observés sont importants pour comprendre le plasma interstellaire et les plasmas ultrafroids générés en laboratoire. L'étude a été publiée dans la célèbre revue Communication Nature .

Pour leur expérience, les physiciens ont utilisé un nuage d'atomes de rubidium qui a été refroidi dans un vide ultra-élevé à environ 100 microkelvin—0,0001 degrés au-dessus du zéro absolu. Ensuite, ils ont excité certains de ces atomes dans un état dit de Rydberg à l'aide de lasers. "Dans ce processus, l'électron le plus externe dans chaque cas est amené sur des orbites lointaines autour du corps atomique, " explique le professeur Herwig Ott, qui étudie les gaz quantiques ultrafroids et l'optique des atomes quantiques à la TU Kaiserslautern. "Le rayon orbital de l'électron peut être supérieur à un micromètre, rendant le nuage d'électrons plus grand qu'une petite bactérie. » De tels atomes hautement excités se forment également dans l'espace interstellaire et sont chimiquement extrêmement réactifs.

Si un atome de Rydberg et un atome de l'état fondamental se heurtent, une collision dite inélastique se produit. "C'est à ce moment que l'atome dans l'état fondamental plonge profondément dans l'orbite de l'électron de Rydberg, " explique le professeur Ott. Il s'ensuit que la dynamique moléculaire des deux atomes est très complexe et conduit à leur séparation, par lequel l'orbite de l'électron a changé.

« Dans ce changement d'état, le nombre quantique principal et le nombre quantique de moment angulaire de l'électron peuvent changer, " dit Philipp Geppert, qui est le premier auteur de l'étude. Geppert explique en outre que sur la base de la distribution de ces états finaux, il est possible d'acquérir de nouvelles connaissances sur les processus de collision atomique où les distances internucléaires grandes et petites sont importantes.

Dans cet état final, l'électron de Rydberg revient sur une orbite plus proche du noyau atomique. Dans le processus, l'énergie est libérée, qui est transférée sous forme d'énergie cinétique aux deux atomes impliqués. En raison de la conservation de la quantité de mouvement, les atomes se séparent dans des directions opposées.

Les scientifiques ont développé un microscope à impulsion spécialement pour cette expérience afin d'observer un tel mouvement. Le principe de base est assez simple :les atomes neutres sont ionisés avec une impulsion laser et dirigés vers un détecteur sensible à la position au moyen d'un champ électrique faible. Le point d'impact dépend de la vitesse initiale des atomes et indique ainsi leur quantité de mouvement. Le microscope est capable de résoudre les plus petites différences de vitesse, ce qui permet d'identifier avec précision les états finaux des atomes individuels.

Cette connaissance aide à comprendre les processus atomiques fondamentaux dans le plasma. Le plasma est un mélange de différentes particules telles que des électrons, ions, atomes, et des molécules. Dans la recherche, le plasma joue un rôle important, par exemple, étudier de plus près l'interaction entre les particules. Comme il se produit également dans l'espace, les résultats du laboratoire peuvent être pertinents pour l'astrophysique, par exemple pour mieux comprendre quels processus chimiques et physiques ont lieu dans l'espace interstellaire.

La recherche sur cette étude s'est déroulée dans le cadre du programme prioritaire "Giant Interactions in Rydberg Systems, " qui est financé par la Fondation allemande pour la recherche. Cette recherche a été menée dans le domaine du profil OPTIMAS (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften—Centre national de recherche pour l'optique et les sciences des matériaux), qui a été financé dans le cadre de l'initiative de recherche de l'État depuis 2008.