Les physiciens de Kaiserslautern de l'équipe du professeur Herwig Ott ont réussi pour la première fois à observer directement des molécules pures de trilobites Rydberg. Ce qui est particulièrement intéressant, c’est que ces molécules ont une forme très particulière, qui rappelle les fossiles de trilobites. Ils possèdent également les moments dipolaires électriques les plus importants de toutes les molécules connues à ce jour.
Les chercheurs ont utilisé un appareil dédié, capable de préparer ces molécules fragiles à des températures ultra-basses. Les résultats révèlent leurs mécanismes de liaison chimique, distincts de toutes les autres liaisons chimiques. L'étude a été publiée dans la revue Nature Communications .
Pour leur expérience, les physiciens ont utilisé un nuage d’atomes de rubidium refroidi dans un vide ultra poussé jusqu’à environ 100 microkelvins, soit 0,0001 degrés au-dessus du zéro absolu. Par la suite, 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 est amené dans chaque cas sur des orbites lointaines autour du corps atomique", explique le professeur Herwig Ott, chercheur sur les gaz quantiques ultrafroids et l'optique des atomes quantiques à l'université de Kaiserslautern-Landau.
"Le rayon orbital de l'électron peut être supérieur à un micromètre, ce qui rend 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 à l’état fondamental se trouve maintenant dans cet atome géant de Rydberg, une molécule se forme. Alors que les liaisons chimiques standards sont de nature covalente, ionique, métallique ou dipolaire, les molécules de trilobite sont liées par un mécanisme complètement différent.
"C'est la diffusion mécanique quantique de l'électron de Rydberg à partir de l'atome à l'état fondamental qui lie les deux ensemble", explique Max Althön, premier auteur de l'étude. "Imaginez l'électron en orbite rapide autour du noyau. À chaque aller-retour, il entre en collision avec l'atome à l'état fondamental. Contrairement à notre intuition, la mécanique quantique nous enseigne que ces collisions conduisent à une attraction effective entre l'électron et l'atome à l'état fondamental. "
Les propriétés de ces molécules sont étonnantes :en raison de la nature ondulatoire de l’électron, les multiples collisions conduisent à un motif d’interférence qui ressemble à un trilobite. De plus, la longueur de liaison de la molécule est aussi grande que l’orbite de Rydberg, bien plus grande que celle de toute autre molécule diatomique. Et parce que l'électron est si fortement attiré par l'atome à l'état fondamental, le moment dipolaire électrique permanent est extrêmement grand :plus de 1 700 Debye.
Afin d’observer ces molécules, les scientifiques ont développé un appareil à vide dédié. Il permet de préparer des atomes ultrafroids via un refroidissement laser et une détection spectroscopique ultérieure des molécules. Les résultats nous aident à comprendre les mécanismes fondamentaux de liaison entre les atomes de l’état fondamental et les atomes de Rydberg, qui sont récemment devenus une plateforme prometteuse pour les applications de l’informatique quantique. La découverte des chercheurs complète la compréhension des systèmes Rydberg, qui peuvent être à la fois exotiques et utiles.
Plus d'informations : Max Althön et al, Exploration de la série vibrationnelle des molécules Rydberg de trilobites pures, Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-43818-7
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par la Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau
