Ένα περίεργο μόριο κάνει την εμφάνιση του για πρώτη φορά

Πηγή: BBC, 23 Απριλίου 2009

Ένα μόριο - γνωστό ως μόριο Rydberg - που μέχρι τώρα υπήρχε μόνο στη θεωρία τελικά πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο. Το μόριο σχηματίστηκε με τη βοήθεια ενός φευγαλέου και εξαιρετικά αδύναμου δεσμού μεταξύ δύο ατόμων, εκ των οποίων το ένα άτομο έχει ένα ηλεκτρόνιο πολύ μακριά από τον πυρήνα του.

Το άτομο αυτό ενισχύει την θεμελιώδη κβαντική θεωρία, όπως αναπτύχθηκε από το νομπελίστα φυσικό Enrico Fermi σχετικά με τον τρόπο που συμπεριφέρονται και αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια.

Το εν λόγω μόρια Rydberg σχηματίστηκε από δύο άτομα του ρουβιδίου - ένα κανονικό άτομο και ένα άτομο Rydberg.

Τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο κινούνται σε τροχιές γύρω από τον πυρήνα, σύμφωνα με την κλασσική θεωρία, που βρίσκονται σε διάφορες αποστάσεις γύρω από αυτόν.

Το άτομο όμως Rydberg έχει μια ιδιαιτερότητα διότι έχει ένα ηλεκτρόνιο και μόνο σε εξαιρετικά απομακρυσμένη τροχιά - πολύ μακριά για την κλίμακα των ατόμων - από τον πυρήνα.

Ο Enrico Fermi το 1934 πρόβλεψε ότι εάν κάποιο άλλο άτομο εύρισκε το περιπλανώμενο αυτό ηλεκτρόνιο μόνο του, θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με αυτό.

"Όμως ο Fermi ποτέ δεν φανταζόταν ότι θα μπορούσε να σχηματιστούν και μόρια," εξήγησε ο Chris Greene, θεωρητικός φυσικός από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, που προέβλεψε πρώτος πως θα μπορούσαν να υπάρχουν και μόρια Rydberg.

"Αναγνωρίσαμε στο έργο μας κατά τη δεκαετία του 1970 και του '80, την δυνατότητα να σχηματιστεί ένα είδος πεδίου μεταξύ του ατόμου Rydberg και ενός κανονικού  ατόμου.

"Αλλά μόνο σε πολύ ψυχρά συστήματα μπορούν πράγματι να σχηματιστούν."

Στη σωστή θέση, στη σωστή στιγμή

Για τη δημιουργία αυτών των μορίων απαιτούνται αφάνταστα χαμηλές θερμοκρασίες, εξήγησε η Vera Bendkowsky από το Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης, που καθοδήγησε την έρευνα.

"Οι πυρήνες των ατόμων πρέπει να είναι στην σωστή απόσταση ο ένας από τον άλλο ώστε τα πεδία των ηλεκτρονίων να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους", λέει.

"Χρησιμοποιούμε γι αυτό το σκοπό ένα υπέρψυχρο νέφος ρουβιδίων - γιατί καθώς ψύχεται τα άτομα του αερίου κινούνται πιο κοντά το ένα με το άλλο."

Οι ερευνητές προκάλεσαν την διέγερση ενός ατόμου στην κατάσταση Rydberg με τη βοήθεια ενός λέιζερ.

Σε θερμοκρασίες πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν - μείον 273 Κελσίου - επιτυγχάνεται αυτή η "κρίσιμη απόσταση" (είναι περίπου 100 νανόμετρα)  μεταξύ των ατόμων.

Όταν λοιπόν το ένα άτομο είναι τύπου Rydberg, τότε τα δύο άτομα αποτελούν ένα μόριο Rydberg. Αυτή η απόσταση των 100 νανόμετρων είναι μεγάλη σε σύγκριση με τα συνήθη μόρια.

Για να 'σπρωχθεί' αυτό το ηλεκτρόνιο σε αυτή τη μοναχική περιφέρεια και έτσι να φτιαχτεί ένα άτομο Rydberg, ασφαλώς απαιτείται ενέργεια. Γι αυτό και η διέγερση των ατόμων στην κατάσταση Rydberg γίνεται με ένα λέιζερ.

"Αν έχουμε ένα αέριο στην κρίσιμη πυκνότητα, με δύο άτομα στη σωστή απόσταση που μπορούν να σχηματίσουν το μόριο, και διεγείρουμε το ένα άτομο στην κατάσταση Rydberg, τότε μπορούμε να φτιάξουμε ένα μόριο."

Αυτό το πείραμα σε υπέρψυχρη κατάσταση είναι, επίσης, και υπέρ-γρήγορο - το πιο μακρόβιο μόριο Rydberg επιβίωσε μόλις 18 μικροδευτερόλεπτα.

Αλλά το γεγονός ότι μπορούν να γίνουν αυτά τα μόρια και ότι τα είδαμε επιβεβαιώνουν μια παλιά θεμελιώδη ατομική θεωρία.

"Δείχνει ότι η προσέγγιση αυτή είναι εφικτή, και θα είναι ενδιαφέρον να δούμε ποιά άλλη θεμελιώδης φυσική θα είναι σε θέση να ελέγξουμε με αυτό", πρόσθεσε η Helen Fielding, φυσικοχημικός από το Πανεπιστημιακό Κολέγιο του Λονδίνου.

Βραβευμένες ιδέες

Ο Chris Greene είχε προβλέψει ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν τα μόρια Rydberg κι αυτό το εμπνεύστηκε από ένα ζευγάρι διάσημων φυσικών.

Όταν, το 1924, ο Ινδός φυσικός Satyendra Nath Bose έστειλε κάποιους θεωρητικούς υπολογισμούς σχετικά με σωματίδια στον Αλμπέρτο Αϊνστάιν, ο τελευταίος έκανε μια πρόβλεψη.

Είπε ότι αν ένα αέριο ψυχθεί σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τότε όλα τα άτομα θα καταρρεύσουν ξαφνικά στην χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή κατάσταση, οπότε θα μπορούσαν να είναι σχεδόν παγωμένα και να συμπεριφέρονται με ένα ίδιο και προβλέψιμο τρόπο.

Υπό μία έννοια αυτό είναι ανάλογο με ένα αέριο που ξαφνικά συμπυκνώνεται σε σταγόνες υγρού.

Όταν οι επιστήμονες έφθασαν στον στόχο της συμπύκνωσης κατά Bose-Einstein, ψύχοντας και παγιδεύοντας άτομα νατρίου, ο Greene αναγνώρισε ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν την υπερψύξη για να σχηματίσουν μόρια που απλά δεν θα υπάρχουν σε άλλες συνθήκες.