У лабораторії вперше створено дивні молекули у формі трилобіту

Вперше фізикам вдалося створити в лабораторії дивну крихку структуру, відому як трилобітова молекула Рідберга. Створення та спостереження за цими екзотичними атомними структурами дало вченим нове уявлення про квантову активність електронів, коли вони розсіюються поблизу атомів. Оскільки їхні хімічні зв’язки відрізняються від будь-яких інших (про які ми знаємо), відкриття відкривають шляхи для розробки кращих теоретичних моделей молекул і розуміння їх динаміки.

Молекули Рідберга утворюються з типу атома, відомого як атом Рідберга. У звичайному атомі є ядро, оточене крихітним роєм електронів. Якщо додати до атома лише трохи енергії, рій електронів трохи роздувається, роблячи атом трохи більшим і пухким.

Атом Рідберга — це те, що ви отримуєте, коли додаєте багато енергії за умов, які дозволяють йому все ще утримувати свої електрони. Він роздувається досить великим, для атома, на багато мікронів у поперечнику, і електрони настільки слабко зв’язані, наскільки вони можуть отримати, не відлітаючи. Через те, що вони такі вільні, атоми Рідберга поводяться якось перебільшено, що робить їх корисними для проведення експериментів.

Молекули — це угруповання атомів, які певним чином зливаються разом, наприклад, через поєднання електронів або, можливо, через контрастні заряди. Якщо ви використовуєте атом Рідберга, ви отримаєте молекулу Рідберга, але спосіб зчеплення атомів один з одним може сильно відрізнятися від зв’язків, які з’єднують звичайні молекули.

І вони можуть виглядати дуже по-різному, маючи схеми розподілу електронів, які можуть нагадувати, скажімо, трилобіта або метелика. Під керівництвом фізика Макса Альтона з Університету Кайзерслаутерн-Ландау команда вчених у лабораторії Гервіга Отта вперше створила чисті трилобітні молекули Рідберга. Вони почали з атомів рубідію, ультраохолоджених лише до 0,0001 градуса вище абсолютного нуля. Потім вони використали лазер для збудження деяких атомів у стани Рідберга.

«У цьому процесі крайній електрон у кожному випадку виводиться на далекі орбіти навколо атомного тіла», — каже Отт. «Орбітальний радіус електрона може бути більше одного мікрометра, що робить електронну хмару більшою за маленьку бактерію».

Молекулу Рідберга можна створити шляхом переведення атома в основному стані – такого, який не був збуджений у стан Рідберга – у пухкий електронний рій атома Рідберга, при цьому два атоми злипаються разом не стандартними хімічними зв’язками, а дивним квантовим притяганням. .

«Це квантово-механічне розсіювання електрона Рідберга від атома в основному стані, яке склеює їх разом», — пояснює Альтон.

«Уявіть собі, що електрон швидко обертається навколо ядра. Під час кожної подорожі туди й назад він стикається з атомом основного стану. На відміну від нашої інтуїції, квантова механіка вчить нас, що ці зіткнення призводять до ефективного притягання між електроном і атомом основного стану.»

Через повторювані зіткнення електрони розподіляються в інтерференційну картину, яка нагадує сегментований панцир трилобіта. Він також має деякі інші захоплюючі та дивні властивості. Довжина молекулярного зв’язку майже така ж, як орбіта Ридберга, тобто досить велика для атомних масштабів. І сила притягання між електроном і атомом в основному стані також досить висока.

Це означає, що молекули Рідберга мають вищий електричний дипольний момент, ніж будь-яка інша молекула; тобто поділ між позитивними та негативними електричними зарядами, також відомий як полярність. Трилобітові молекули Рідберга, які спостерігав Альтон і його колеги, мають електричний дипольний момент понад 1700 деба, і це надзвичайно високо. Для молекул води ця міра менше 2 деба.

Можливість не просто створювати, а й досліджувати чисті трилобітові молекули Ридберга дає фізикам новий інструмент для тестування та розуміння квантової сфери. Він також має потенційні застосування для квантової обробки інформації. І, як кажуть дослідники, його можна ширше застосовувати для вивчення цих дивних молекул у різних видів.