Arriva un atomo pieno di atomi: ecco un nuovo stato della materia / An atom full of atoms arrives: here is a new state of matter

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

(Foto: TU Wien)

Un gruppo di ricerca internazionale ha creato in laboratorio un nuovo stato esotico della materia: i polaroni di Rydberg. A temperature prossime allo zero, un atomo con raggio più di mille volte più grande dell’idrogeno contiene dentro di sé tanti altri atomi

Cosa c’è all’interno di un atomo, fra il nucleo e gli elettroni? Di solito niente. Ma non questa volta: un team guidato dalla Vienna University of Technology ha messo a punto, in laboratorio, un atomo gigante, riempiendolo di numerosi altri atomi. Un legame debole – ma pur sempre presente – li tiene tutti insieme. I ricercatori hanno così creato un nuovo stato della materia, esotico, come lo definiscono i fisici, osservando un fenomeno chiamato polaroni di Rydberg. Lo studio, che combina la fisica quantistica con la fisica della materia, è stato realizzato insieme ai ricercatori della Stanford University e della Rice University a Houston, negli Stati Uniti, ed è pubblicato su Physical Review Letters.

Per ottenere questi polaroni di Rydberg, i ricercatori hanno combinato due stati della materia: un condensato di Bose-Einstein, costituito da atomi – in questo caso di stronzio – a temperature prossime allo zero assoluto, e atomi di Rydberg. Si tratta di particolari atomi, in cui un un elettrone è in uno stato eccitato, cioè ad un livello di energia superiore rispetto a quello in cui si trova abitualmente, un po’ come se avesse salito un gradino di una scalinata.

Questo elettrone eccitato percorre un’orbita con raggio molto ampio, cioè a grande distanza dal nucleo. “Questa distanza può essere di diverse centinaia di nanometri”, ha spiegato Joachim Burgdörfer, professore alla Vienna University of Technology, che insieme a Shuhei Yoshida ha studiato per anni le proprietà degli atomi di Rydberg, “più di mille volte il raggio di un atomo di idrogeno”. Sono atomi molto grandi, dunque, che misurano frazioni di micrometri, dato che l’elettrone orbita a così grande distanza.

In primo luogo, gli autori dello studio hanno ottenuto un condensato di Bose-Einstein con atomi di stronzio. Poi, con un laser hanno trasferito energia ad uno di questi atomi, trasformandolo in un atomo di Rydberg, che appunto ha un elettrone che ruota a grande distanza dal nucleo e dunque con un raggio atomico molto ampio. Quest’orbita ha un raggio talmente ampio, che è molto più grande di quella degli altri atomi di stronzio che compongono il condensato di Bose-Einstein. Così, in questo mega atomo possono essere contenuti tanti atomi di stronzio, come spiegano i ricercatori, anche fino a 170 unità.

“Questi atomi non hanno alcuna carica elettrica”, ha spiegato Shuhei Yoshida, “così esercitano soltanto una forza minima sull’elettrone”. Ma in maniera molto leggera, l’elettrone percepisce la presenza di questi atomi neutri, tanto che subisce una lievissima deflessione, senza però abbandonare la sua mega orbita. Questa debole interazione, tuttavia, tiene legati gli atomi all’interno dell’orbita. “Una situazione ampiamente inusuale”, prosegue Yoshida. “Di solito, abbiamo a che fare con nuclei carichi, che legano elettroni intorno a loro. In questo caso, abbiamo un elettrone, che lega intorno a sé atomi neutri”.

Questo legame è molto debole, più leggero di quello che tiene uniti gli atomi di un cristallo. Così, questo nuovo stato della materia, i polaroni di Rydberg, può essere ricreato soltanto a temperature prossime allo zero assoluto, perché a temperature superiori i legami si spezzerebbero. Ma il risultato è importante per studiare particolari proprietà della materia. “Per noi, questo nuovo stato della materia, costituito da legami deboli rappresenta una nuova stimolante possibilità per studiare la fisica degli atomi ultrafreddi”, conclude Joachim Burgdörfer. “In questo modo si possono dimostrare le proprietà di un condensato di Bose-Einstein su scale molto piccole e con una precisione molto elevata”. Così queste ricerche potrebbero aiutare a studiare questi atomi e a scoprire nuove proprietà della materia, come quella di oggi, il nuovo stato esotico dei polaroni di Rydberg.

ENGLISH

An international research group has created in the laboratory a new exotic state of matter: Rydberg's polarones. At temperatures close to zero, an atom with a radius more than a thousand times larger than hydrogen contains within itself many other atoms

What is inside an atom, between the nucleus and the electrons? Usually nothing. But not this time: a team led by the Vienna University of Technology developed a giant atom in the laboratory, filling it with numerous other atoms. A weak link - but always present - keeps them all together. The researchers have thus created a new state of matter, exotic, as physicists call it, by observing a phenomenon called Rydberg polarons. The study, which combines quantum physics with the physics of matter, was carried out together with researchers at Stanford University and Rice University in Houston, United States, and is published in Physical Review Letters.

To obtain these Rydberg polaris, the researchers combined two states of matter: a Bose-Einstein condensate, consisting of atoms - in this case of strontium - at temperatures close to absolute zero, and Rydberg atoms. These are particular atoms, in which an electron is in an excited state, that is, at a level of energy higher than that in which it is usually found, a bit 'as if he had climbed a step of a staircase.

This excited electron travels through an orbit with a very wide radius, that is, at a great distance from the nucleus. "This distance can be several hundred nanometers," explained Joachim Burgdörfer, a professor at the Vienna University of Technology, who together with Shuhei Yoshida has studied for years the properties of Rydberg's atoms, "more than a thousand times the radius of an atom of hydrogen ". They are very large atoms, which measure fractions of micrometers, since the electron orbits at such a large distance.

Firstly, the authors of the study obtained a Bose-Einstein condensate with strontium atoms. Then, with a laser they transferred energy to one of these atoms, transforming it into a Rydberg atom, which has an electron that rotates at a great distance from the nucleus and therefore with a very wide atomic radius. This orbit has such a wide radius, which is much larger than that of the other strontium atoms that make up the Bose-Einstein condensate. Thus, in this mega atom many strontium atoms can be contained, as the researchers explain, even up to 170 units.

"These atoms have no electrical charge", explained Shuhei Yoshida, "so they only exert a minimal force on the electron". But in a very light way, the electron perceives the presence of these neutral atoms, so much so that it undergoes a slight deflection, without however abandoning its mega orbit. This weak interaction, however, keeps the atoms bound within the orbit. "A widely unusual situation", continues Yoshida. "Usually, we are dealing with charged nuclei, which bind electrons around them. In this case, we have an electron, which binds neutral atoms around it ".

This bond is very weak, lighter than that which holds the atoms of a crystal together. Thus, this new state of matter, Rydberg's polarons, can only be recreated at temperatures close to absolute zero, because at higher temperatures the bonds would break. But the result is important for studying particular properties of matter. "For us, this new state of matter, made up of weak bonds, represents a new stimulating possibility to study the physics of ultracold atoms", concludes Joachim Burgdörfer. "In this way the properties of a Bose-Einstein condensate can be demonstrated on very small scales with very high precision". So these researches could help to study these atoms and discover new properties of matter, such as today's, the new exotic state of Rydberg's polarones.

Da:

https://www.wired.it/scienza/lab/2018/02/27/atomo-nuovo-stato-materia/