Os físicos da Technische Universität Kaiserslautern na equipe do Professor Dr. Herwig Ott tiveram sucesso pela primeira vez na observação direta de colisões entre átomos altamente excitados, os chamados átomos de Rydberg, e átomos no estado fundamental. Particularmente interessante é que eles podem identificar com precisão os estados de energia dos átomos individuais, o que era impossível até agora. Os pesquisadores desenvolveram um microscópio customizado para esse fim, com o qual puderam medir diretamente os momentos dos átomos. Os processos observados são importantes para a compreensão do plasma interestelar e dos plasmas ultracold gerados em laboratório. O estudo foi publicado na renomada revista Nature Communications.
Para o experimento, os físicos usaram uma nuvem de átomos de rubídio que foi resfriada em um vácuo ultra-alto a cerca de 100 microkelvin – 0,0001 graus acima do zero absoluto. Posteriormente, eles excitaram alguns desses átomos em um chamado estado de Rydberg usando lasers. “Neste processo, o elétron mais externo em cada caso é trazido para órbitas distantes ao redor do corpo atômico”, explica o professor Herwig Ott, que pesquisa gases quânticos ultracold e óptica de átomos quânticos na TU Kaiserslautern. “O raio orbital do elétron pode ter mais de um micrômetro, tornando a nuvem de elétrons maior do que uma pequena bactéria.” Esses átomos altamente excitados também são formados no espaço interestelar e são quimicamente extremamente reativos.
Se um átomo de Rydberg e um átomo no estado fundamental entram em conflito, ocorre uma chamada colisão inelástica. “É quando o átomo no estado fundamental mergulha profundamente na órbita do elétron de Rydberg”, explica o professor Ott. O que se segue é que a dinâmica molecular dos dois átomos é altamente complexa e leva à sua separação, por meio da qual a órbita do elétron mudou.
“Nessa mudança de estado, tanto o número quântico principal quanto o número quântico do momento angular do elétron podem mudar”, disse Philipp Geppert, o primeiro autor do estudo. Geppert explica ainda que, com base na distribuição desses estados finais, é possível obter novos insights sobre os processos de colisão atômica onde grandes e pequenas distâncias internucleares são importantes.
Nesse estado final, o elétron de Rydberg retorna a uma órbita mais próxima do núcleo atômico. No processo, é liberada energia, que é transferida na forma de energia cinética para os dois átomos envolvidos. Devido à conservação do momento, os átomos se separam em direções opostas.
Os cientistas desenvolveram um microscópio de impulso especialmente para este experimento para observar esse movimento. O princípio básico é bastante simples: os átomos neutros são ionizados com um pulso de laser e direcionados para um detector sensível à posição por meio de um campo elétrico fraco. O ponto de impacto depende da velocidade inicial dos átomos e, portanto, indica seu momento. O microscópio é capaz de resolver as menores diferenças de velocidade, tornando assim possível identificar com precisão os estados finais dos átomos individuais.
Esse conhecimento ajuda a entender os processos atômicos fundamentais no plasma. O plasma é uma mistura de diferentes partículas, como elétrons, íons, átomos e moléculas. Na pesquisa, o plasma desempenha um papel importante, por exemplo, para estudar mais de perto a interação entre as partículas. Como também ocorre no espaço, os resultados de laboratório podem ser relevantes para a astrofísica, por exemplo, para entender melhor quais processos químicos e físicos ocorrem no espaço interestelar.
A pesquisa neste estudo ocorreu dentro do programa prioritário “Giant Interactions in Rydberg Systems”, que é financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa. Esta pesquisa foi realizada na área de perfil OPTIMAS (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften – Centro de Pesquisa Estadual de Óptica e Ciências dos Materiais), que foi financiado como parte da iniciativa de pesquisa do estado desde 2008.
Publicado em 05/07/2021 11h58
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