miércoles, 17 de junio de 2009

Moléculas de Rydberg : el inicio de la química ultrafría.


Un nuevo tipo de enlace químico ha sido encontrado experimentalmente. Dicho enlace se ha producido entre dos átomos de rubidio, uno en estado base y otro un átomo de Rydberg. La existencia del potencial necesario para el enlace fue predicha por Enrico Fermi en 1934; la predicción del enlace en sí fue realizada por Chris Greene, Alan Dickinson y Hossein Sadeghpour en 2000. Los resultados obtenidos por Tilman Pfau y sus colaboradores de la Universidad de Stuttgart han aparecido en Nature.

Cuando los astrónomos observan la radiación procedente del espacio encuentran habitualmente una señal correspondiente a una frecuencia de 2,4 GHz (gigaherz). Esta frecuencia corresponde a una transición del hidrógeno entre los niveles electrónicos con números cuánticos principales n=109 y n=108. Para quien haya estudiado algo de química, pero no esté familiarizado con los átomos de Rydberg, pensará que me he vuelto loco al escribir unos valores de n tan descomunales. Para el que no sepa nada de química diremos que el número cuántico principal nos da idea del tamaño de un átomo y que, para el hidrógeno, que tiene un electrón, en su estado base n=1. Los átomos de hidrógeno interestelares son (en un número significativo) átomos de Rydberg.

Un átomo de Rydberg es un átomo excitado con uno o más electrones con números cuánticos principales muy altos. Estos átomos tienen características muy peculiares, entre ellas funciones de onda de los electrones que, bajo ciertas condiciones, se aproximan a las órbitas clásicas (las del átomo de Bohr). El radio de la órbita de estos electrones es proporcional al cuadrado del número cuántico principal, por lo que los átomos de Rydberg son enormes (en términos atómicos) y sus electrones de valencia (exteriores, muy alejados del núcleo), por tanto, son muy lábiles frente a colisiones o campos electromagnéticos.

¿Cómo es posible que algo tan frágil como un átomo de Rydberg sobreviva en el espacio? Debido al vacío y a las bajísimas temperaturas. En la Tierra un átomo de Rydberg se vería ionizado inmediatamente debido al calor. El nuevo enlace químico se ha conseguido en condiciones ultrafrías, muy próximas a las necesarias para obtener un condensado de Bose-Einstein.

Pfau y sus colaboradores han conseguido formar dímeros (compuestos de 2 átomos) de rubidio, en los que uno de los átomos era de Rydberg. El enlace ha sido detectado vía espectroscópica por la medición del estado base vibracional y del primer excitado del dímero Rb(5s)-Rb(ns) .Los números entre paréntesis indican los orbitales que intervienen, siendo el número el cuántico principal; en el caso del átomo de Rydberg de Rb n ha oscilado entre 34 y 40.

El mecanismo subyacente al enlace es la dispersión electrónica de baja energía de los electrones de Rydberg por parte de un átomo polarizable en su estado base. Este proceso de dispersión cuántica puede generar una atracción que es capaz de unir el átomo de Rb en su estado base con el Rb de Rydberg en un punto localizado de la función de onda de éste.

El tamaño del dímero descubierto es enorme: 80nm, mayor que un ribosoma celular.

El grupo de Pfau ha conseguido el dímero más estable y simple de los que Greene y compañía predijeron. Otros más exóticos, llamados trilobites (en la imagen) y mariposas, son lo próximo a conseguir. Se ha abierto la puerta a la química ultrafría.

Referencia:


Bendkowsky, V., Butscher, B., Nipper, J., Shaffer, J., Löw, R., & Pfau, T. (2009). Observation of ultralong-range Rydberg molecules Nature, 458 (7241), 1005-1008 DOI: 10.1038/nature07945