Nieuw onderzoek: natuurkundigen identificeren energietoestanden van individuele atomen na botsing

Professor Herwig Ott (links) en Philipp Geppert doen onderzoek aan de TU Kaiserslautern naar ultrakoude kwantumgassen en kwantumatooptiek. (Foto: Koziel/TUK)

Professor Herwig Ott (links) en Philipp Geppert hebben speciaal een microscoop ontwikkeld waarmee ze de impulsen van de atomen direct hebben gemeten. (Foto: Koziel/TUK)

Fysici van de Technische Universiteit Kaiserslautern onder leiding van Professor Dr. Herwig Ott zijn er voor het eerst in geslaagd om botsingen tussen hooggeactiveerde atomen, zogenaamde Rydbergatomen, en atomen in de grondtoestand waar te nemen. Het bijzondere: zij kunnen de energietoestanden van de individuele atomen nauwkeurig identificeren. Dit was tot nu toe niet mogelijk. Daartoe hebben de onderzoekers speciaal een microscoop ontwikkeld waarmee ze de impulsen van de atomen direct konden meten. De waargenomen processen zijn belangrijk voor het begrip van interstellair plasma en van in het laboratorium gegenereerde ultrakoude plasmas. De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad "Nature Communications".

In hun experiment hebben de fysici een wolk van rubidiumatomen gebruikt, die in een ultrahoge vacuüm tot ongeveer 100 microkelvin – dus 0,0001 graden boven het absolute nulpunt – zijn afgekoeld. Sommige van deze atomen hebben ze vervolgens met behulp van lasers in een zogenaamde Rydbergtoestand gebracht. "Hierbij wordt het altijd uiterste elektron op ver verwijderde banen rond de atoomkern gebracht," legt Professor Herwig Ott uit, die aan de TU Kaiserslautern onderzoek doet naar ultrakoude kwantengassen en kwantumatooptiek. "De baanradius van het elektron kan daarbij meer dan een micrometer bedragen en de elektronenwolk wordt daarmee groter dan een klein bacterie." Zulke hooggeactiveerde atomen ontstaan ook in de interstellaire ruimte in de ruimte en zijn chemisch uiterst reactief.

Wanneer nu een Rydbergatoom en een atoom in de grondtoestand elkaar ontmoeten, ontstaat er een zogenaamde inelastische botsing. "Hierbij duikt het atoom in de grondtoestand diep in de orbitaal van het Rydbergelectron," vervolgt hij. De daaropvolgende moleculaire dynamiek van de twee atomen is zeer complex en leidt tot hun scheiding, waarbij de baan van het elektron is veranderd.

"Bij deze toestandsverandering kan zowel de hoofdkwantumgetal als het impulsmomentkwantumgetal van het elektron veranderen," zegt Philipp Geppert, de eerste auteur van de studie. Hij legt verder uit: "Uit de verdeling van deze eindtoestanden kunnen we nu nieuwe inzichten verkrijgen over atomaire botsingsprocessen, waarbij zowel grote als kleine interne nucleaire afstanden belangrijk zijn."

Het Rydbergelectron keert bij deze eindtoestand terug op een baan die dichter bij de atoomkern ligt. Daarbij wordt energie vrijgegeven. Deze wordt in de vorm van kinetische energie overgedragen aan beide betrokken atomen, die zich vanwege de impulsbehoud in tegengestelde richtingen bewegen.

Deze beweging kan nu worden waargenomen met een impulsmicroscoop, die de wetenschappers speciaal voor het experiment hebben ontwikkeld. Het basisprincipe is daarbij vrij eenvoudig: de neutrale atomen worden met een laserpuls geïoniseerd en met behulp van een zwak elektrisch veld naar een locatiegevoelige detector geleid. Het ontmoetingspunt hangt af van de beginsnelheid van de atomen en geeft zo hun impuls weer. De microscoop kan daarbij kleinste snelheidsverschillen oplossen, waardoor het mogelijk is om de eindtoestanden van de individuele atomen nauwkeurig te identificeren.

De bevindingen helpen om fundamentele atomaire processen in het plasma te begrijpen. Hierbij gaat het om een mengsel van verschillende deeltjes zoals elektronen, ionen, atomen en moleculen. In het onderzoek speelt plasma een belangrijke rol om bijvoorbeeld de interactie tussen de deeltjes nauwkeuriger te bestuderen. Omdat het ook in de ruimte voorkomt, kunnen resultaten uit het laboratorium relevant zijn voor de astrofysica, bijvoorbeeld om beter te begrijpen welke chemische en fysische processen in de interstellaire ruimte plaatsvinden.

De werkzaamheden voor deze studie vonden plaats binnen het kader van het Schwerpunktprogramm "Giant Interactions in Rydberg Systems", dat wordt gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft. Ze werden uitgevoerd binnen het profielgebied OPTIMAS (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften), dat sinds 2008 wordt ondersteund als onderdeel van de onderzoeksinitiatieven van de deelstaat.

De resultaten van de metingen en een beschrijving van de experimentele opbouw zijn gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad "Nature Communications": "Diffusive-like redistribution in state-changing collisions between Rydberg atoms and ground state atoms"; Philipp Geppert, Max Althön, Daniel Fichtner & Herwig Ott
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24146-0
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24146-0

Vragen beantwoord door:

Prof. Dr. Herwig Ott
Fachgebiet Ultrakalte Quantengasen und Quantenatomoptik / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-Mail: ott@physik.uni-kl.de