Nuevo estudio: Los físicos identifican los estados de energía de átomos individuales tras una colisión

El profesor Herwig Ott (izq.) y Philipp Geppert investigan en la Universidad Técnica de Kaiserslautern sobre gases cuánticos ultrafríos y óptica cuántica de átomos. (Foto: Koziel/TUK)

El profesor Herwig Ott (izquierda) y Philipp Geppert han desarrollado un microscopio especial con el que han medido directamente los impulsos de los átomos. (Foto: Koziel/TUK)

Los físicos de la Universidad Técnica de Kaiserslautern bajo la dirección del profesor Dr. Herwig Ott han logrado por primera vez observar colisiones entre átomos altamente excitados, llamados átomos de Rydberg, y átomos en estado fundamental. Lo especial: pueden identificar con precisión los estados de energía de cada átomo. Hasta ahora, esto no había sido posible. Para ello, los investigadores desarrollaron un microscopio especializado que les permitió medir directamente los impulsos de los átomos. Los procesos observados son importantes para comprender el plasma interestelar y los plasmas ultrafríos generados en laboratorio. El estudio ha sido publicado en la prestigiosa revista científica "Nature Communications".

En su experimento, los físicos utilizaron una nube de átomos de rubidio enfriados a aproximadamente 100 microkelvin, es decir, 0,0001 grados por encima del cero absoluto. Algunos de estos átomos fueron excitados posteriormente mediante láseres a un llamado estado de Rydberg. "En este proceso, el electrón más externo se lleva a órbitas muy alejadas del núcleo atómico", explica el profesor Herwig Ott, quien investiga gases cuánticos ultrafríos y óptica cuántica en la TU Kaiserslautern. "El radio de la órbita del electrón puede superar un micrómetro, haciendo que la nube de electrones sea más grande que una pequeña bacteria." Tales átomos altamente excitados también se forman en el espacio interestelar y son químicamente extremadamente reactivos.

Cuando un átomo de Rydberg y un átomo en estado fundamental se encuentran, ocurre una colisión inelástica. "En este proceso, el átomo en estado fundamental penetra profundamente en la órbita del electrón de Rydberg", continúa. La dinámica molecular posterior de ambos átomos es muy compleja y conduce a su separación, durante la cual la órbita del electrón cambia.

"Durante este cambio de estado, tanto el número cuántico principal como el número cuántico de momento angular del electrón pueden cambiar", dice Philipp Geppert, quien es el primer autor del estudio. Él explica además: "A partir de la distribución de estos estados finales, podemos obtener nuevos conocimientos sobre procesos de colisión atómica, en los que tanto las distancias nucleares grandes como pequeñas son importantes".

El electrón de Rydberg regresa en este estado final a una órbita más cercana al núcleo atómico, liberando energía en el proceso. Esta energía se transfiere en forma de energía cinética a ambos átomos involucrados, que se alejan en direcciones opuestas debido a la conservación del impulso.

Este movimiento puede ser observado con un microscopio de impulso, que los científicos desarrollaron específicamente para el experimento. El principio básico es bastante simple: los átomos neutros se ionizan mediante un pulso láser y, con la ayuda de un débil campo eléctrico, se dirigen hacia un detector sensible a la posición. El punto de impacto depende de la velocidad inicial de los átomos y, por tanto, indica su impulso. El microscopio puede resolver incluso las mínimas diferencias de velocidad, permitiendo identificar con precisión los estados finales de cada átomo.

Los hallazgos ayudan a comprender procesos atómicos fundamentales en el plasma, que es una mezcla de diferentes partículas como electrones, iones, átomos y moléculas. La investigación en plasma es importante para estudiar con mayor precisión las interacciones entre estas partículas. Dado que también se encuentra en el espacio, los resultados de laboratorio pueden ser relevantes para la astrofísica, ayudando a entender mejor los procesos químicos y físicos que ocurren en el espacio interestelar.

El trabajo de esta investigación se realizó en el marco del programa de especialización "Interacciones Gigantes en Sistemas de Rydberg", financiado por la Fundación Alemana de Investigación (Deutsche Forschungsgemeinschaft). Se llevó a cabo en la zona de investigación OPTIMAS (Centro de Investigación Estatal en Óptica y Ciencias de Materiales), que desde 2008 forma parte de la iniciativa de investigación del estado.

Los resultados de las mediciones y una descripción de la configuración experimental han sido publicados en la revista de renombre "Nature Communications": "Redistribución difusiva en colisiones que cambian de estado entre átomos de Rydberg y átomos en estado fundamental"; Philipp Geppert, Max Althön, Daniel Fichtner y Herwig Ott
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24146-0
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24146-0

Preguntas respondidas por:

Prof. Dr. Herwig Ott
Departamento de Gases Cuánticos Ultrafríos y Óptica Cuántica / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
Correo electrónico: ott@physik.uni-kl.de