Durante duas décadas, físicos previram a existência de uma família notável de moléculas exóticas: átomos gigantes ligados a átomos comuns, com um elétron tão distante do núcleo que esculpe o par em formas bizarras e diversas. Anunciado na revista Physical Review Letters , o último membro desse "zoológico quântico" foi descoberto. Liderada por Herwig Ott, da Universidade RPTU de Kaiserslautern-Landau, na Alemanha, uma equipe de físicos criou e detectou a molécula "borboleta", concluindo uma busca de 20 anos por essa estrutura elusiva.

As moléculas neste zoológico quântico pertencem a uma classe conhecida como moléculas de Rydberg de alcance ultralongo . Elas se formam quando um átomo comum se liga a um átomo de Rydberg, cujo elétron mais externo foi excitado tão longe do núcleo que o átomo incha para milhares de vezes o seu tamanho normal.

As formas orbitais traçadas por esses elétrons distantes conferem a cada tipo de molécula sua característica e seu apelido. Algumas possuem estruturas lobadas elaboradas que lembram trilobitas; outras se espalham no contorno alado de uma borboleta. Essas moléculas são milhares de vezes mais sensíveis a campos elétricos do que as moléculas comuns, tornando-as objetos especialmente úteis para sondar o mundo quântico.

Até o momento, porém, a variedade borboleta havia se mostrado particularmente difícil de produzir experimentalmente. Isso ocorre porque a configuração de spin quântico específica necessária, conhecida como estado de "spin-singlete", leva a uma ligação molecular muito mais fraca do que as configurações de spin-triplete observadas em experimentos anteriores.

Para induzir a formação da borboleta, a equipe de Ott primeiro resfriou átomos de rubídio a temperaturas próximas a alguns milionésimos de grau do zero absoluto, usando uma combinação de lasers e armadilhas eletromagnéticas. Em seguida, utilizaram uma sequência cuidadosamente ajustada de três pulsos de laser para induzir alguns átomos a estados de Rydberg, enviando seus elétrons mais externos para longe de seus núcleos.

Encontrar a frequência de laser correta foi uma tarefa meticulosa, que exigiu semanas de ajustes precisos até que as moléculas finalmente aparecessem. Mas, quando a frequência ideal foi alcançada, os resultados foram impressionantes. As moléculas em forma de borboleta mediam cerca de 25 nanômetros de diâmetro — maiores que a largura de uma fita de DNA.

Como a equipe esperava, o formato característico de asas de suas nuvens eletrônicas também coincidiu bastante com as previsões teóricas. Ao medir as energias de ligação das moléculas, sua sensibilidade a campos elétricos e quanto tempo elas sobreviviam antes de se desintegrarem, eles encontraram concordância com a teoria em todos os aspectos.

Além de completar o zoológico quântico, o resultado pode apontar para novos territórios experimentais. Para os físicos experimentais, a molécula em forma de borboleta é vista como um passo importante para a criação de ânions ultrafrios : átomos com carga negativa resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto, que até agora resistiram a todos os métodos de resfriamento convencionais. Com a capacidade de criá-los em laboratório, os ânions ultrafrios poderiam permitir testes de precisão da física fundamental e abrir novos caminhos na pesquisa da antimatéria.