Natuurkundigen hebben een supergroot atoom en een koud ion samengevoegd tot een nieuw molecuul. Het molecuul heeft extreem lange chemische bindingen en een doorsnede van 4 micrometer.

De ongewone chemische binding tussen de twee deeltjes is duizenden keren langer dan die in de meeste moleculen bij kamertemperatuur. De methode die gebruikt is om ze te maken en te onderzoeken, zou kunnen leiden tot een nieuwe tak van ultrakoude quantumchemie.

Moleculen ontstaan wanneer atomen of groepen atomen elektronen delen, of aan elkaar kleven omdat ze gevangen zitten in elkaars elektrische velden. Natuurkundige Tilman Pfau van de universiteit van Stuttgart in Duitsland en zijn collega’s hebben nu reusachtige ultrakoude moleculen gemaakt met behulp van twee soorten rubidiumatomen: één met een elektrische lading en de andere supergroot.

Op een vlot en goed geluk
LEES OOK
Op een vlot en goed geluk

De onderzoekers begonnen met een wolk rubidiumatomen, afgekoeld tot een miljoenste graad boven het absolute nulpunt van -273 graden Celsius. Vervolgens gebruikten ze een laser om een elektron te verwijderen uit een enkel rubidiumatoom, waardoor het veranderde in een positief geladen ion.

Opgerekt atoom

Daarna gebruikten ze een andere laser om energie toe te voegen aan een ander atoom, waardoor de buitenste elektronen ver van de kern komen te zitten. Zo wordt het hele atoom opgerekt. Omdat deze verre elektronen uiterst gevoelig zijn voor de aanwezigheid van elektrische ladingen, kon het reuzenatoom niet ontsnappen aan de invloed van het ion. De twee werden gebonden in een molecuul van zo’n 4 micrometer lang: groter dan sommige bacteriën, en honderd keer groter dan een kooldioxide-molecuul.

Deze moleculen en de chemische bindingen die ze bij elkaar houden, zijn de eerste in hun soort, zegt natuurkundige Johannes Denschlag van de Universiteit van Ulm in Duitsland, die niet bij het experiment betrokken was. ’In de scheikunde leren we dat er een handvol bindingsmechanismen zijn die verantwoordelijk zijn voor de structuur van de materiële wereld om ons heen. Maar onze wereld is natuurlijk veel rijker’, zegt hij. ‘Het is opwindend om nieuwe manieren te vinden om chemische bindingen te maken.’

Ionenmicroscoop

Om de quantumprocessen te betrappen die alleen plaatsvinden tussen extreem koude atomen en ionen, moesten Pfau en zijn team een speciale microscoop ontwerpen. Ze besteedden vier jaar aan de ontwikkeling van deze ionenmicroscoop, die de nieuwe moleculen met een elektrisch veld naar een detector dirigeert. Zo konden ze het bestaan van het nieuwe type moleculaire binding bevestigen.

Volgens Hossein Sadeghpour van de Harvard University kan de mogelijkheid om nieuwe moleculen te maken en ze te bestuderen met de ionenmicroscoop leiden tot onderzoek in een tot nog toe onontgonnen onderzoeksgebied van ultrakoude quantumchemie. Onderzoekers hadden het hier over in theorie, zegt hij, maar het nieuwe experiment laat fantastische instrumenten zien om het ook echt uit te voeren.