Kaiserslauterer Physici veranderen atomaire interactie in ultrazachte materie

De afbeelding toont een ultrakoude wolk van rubidium-atomen (rood) in het experiment aan de TUK. (Foto: TUK/AG Ott)

Fysici van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) onder leiding van Professor Dr. Herwig Ott zijn er voor het eerst in geslaagd om de interactie tussen twee atomen in ultrakoude materie te veranderen met behulp van zogenaamde Rydbergmoleculen. Deze recent ontdekte grote moleculen bestaan uit slechts twee atomen, waarvan het bindingsmechanisme niet met gangbare chemische modellen kan worden beschreven. Ze bezitten bijzondere eigenschappen, zoals een grote bindingslengte. De studie is nu gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad "Nature Communications".

Interacties vormen de fundamentele bouwer van onze wereld. Niet alleen in het sociale leven, maar ook in de materie die ons omringt. Al begin vorige eeuw stelde de natuurkundige Ernest Rutherford vast dat zelfs goud voor meer dan 99 procent uit niets bestaat. Pas de interactie tussen individuele deeltjes maakt materie tot wat het is. Het zorgt ervoor dat onze wereld in haar kern bij elkaar blijft.

Dit geldt niet alleen voor onze alledaagse wereld, maar ook voor de wereld van de kwantumfysica. Om kwantumverschijnselen te onderzoeken, maken natuurkundigen vaak gebruik van ultrakoude atoomgassen. "Hierbij heersen temperaturen rond het absolute nulpunt, ongeveer -273 graden Celsius", zegt Professor Dr. Herwig Ott, die aan de TUK onderzoek doet naar ultrakoude kwantengassen en kwantumatooptiek. "Het gedrag van de atoomgassen wordt daarbij bepaald door de interactie tussen de atomen." Experts spreken in dit verband ook van een kwantummechanisch verstrooiingsproces. "Voor de wetenschap zijn dergelijke gassen van groot belang bij het onderzoeken van kwantummechanische effecten, omdat deze interacties in het lab kunnen worden aangepast", vervolgt de professor.

Bij de materie die ons dagelijks omringt, is dat meestal niet het geval. "De watermoleculen in een glas water bijvoorbeeld hebben altijd dezelfde interactie, en de vraag wat de eigenschappen van water zouden zijn als de watermoleculen zich twee keer zo sterk zouden aantrekken, kan experimenteel niet worden beantwoord", aldus de natuurkundige.

De wetenschappers onder leiding van Professor Ott zijn er nu voor het eerst in geslaagd om de interactie tussen ultrakoude atomen te veranderen met behulp van zogenaamde Rydbergmoleculen. Het idee voor het experiment: Twee atomen die botsen, worden kortstondig via een laserstraal in een toestand gebracht die overeenkomt met een molecuul. "Hierdoor brengen ze langere tijd samen door", legt de professor uit. "Dit verandert het kwantummechanische verstrooiingsproces tussen de twee atomen en daarmee ook de interactie tussen hen."

In het experiment konden de onderzoekers van de TUK dit nu waarnemen: Ze hebben uit twee rubidiumatomen een Rydbergmolecuul "geconstrueerd". Deze vorm van moleculen is pas enkele jaren geleden ontdekt. Het gaat hierbij om moleculen die zo groot kunnen zijn als virussen, maar die slechts uit twee atomen bestaan. In de regel zijn moleculen die uit twee atomen bestaan veel kleiner. In tegenstelling tot de tot nu toe bekende bindingen, waarbij bijvoorbeeld twee atomen elk één elektron delen, werkt hier een ander mechanisme: Een elektron vertoont slechts een zeer zwakke binding met de atoomkern en bevindt zich op een buitenste elektronenbaan, in een zogenaamde Rydbergtoestand. Het tweede atoom ondergaat nu een kwantummechanische interactie met het elektron, en er ontstaat een zwakke binding tussen de twee atomen.

"Deze moleculen kenmerken zich door een reeks bijzondere eigenschappen", zegt de professor, "zoals hun extreem grote bindingslengte van enkele honderden nanometers en hun zeer grote elektrische dipoolmomenten." Onder wetenschappers verstaat men daarbij de feitelijkheid dat moleculen een ruimtelijk gescheiden positieve en negatieve lading kunnen bezitten.

De resultaten van de wetenschappers van de TUK maken het mogelijk om enerzijds de interactie in bijna elk ultrakoud gas te veranderen. Anderzijds openen ze ook nieuwe toepassingsmogelijkheden, zoals de directe controle van meerdeeltjesinteracties. "Maar ook interacties met langere reikwijdte dan tot nu toe mogelijk was, kunnen zo in de toekomst worden geïnduceerd", noemt de natuurkundige als een ander voorbeeld. "Hiermee zouden in de toekomst nieuwe materietoestanden in ultrakoude gassen kunnen worden gerealiseerd."

De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad "Nature Communications": "Experimentale realisatie van een Rydberg-optische Feshbach-resonantie in een kwantumsysteem met veel lichamen"; O. Thomas, C. Lippe, T. Eichert & H. Ott
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04684-w

Het werk werd gefinancierd door het Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften, kortweg OPTIMAS, de graduate school "Materials science IN MainZ" (MAINZ) en de twee speciale onderzoeksgebieden "Condensed Matter Systems with Variable Many-Body Interactions" en "OSCAR - Open System Control of Atomic and Photonic Matter".