Впервые в мире получена молекула Ридберга

Экзотическая молекула, существование которой до сих пор было лишь предметом теоретических споров, наконец-то получена международной группой учёных, возглавляемой Верой Бендковски (Vera Bendkowsky) из университета Штутгарта (Universit?t Stuttgart). Открытие является новым подкреплением квантовой теории, описывающей поведение электронов в необычных условиях.

Новое достижение физиков продолжает череду исследований, связанных с таким экзотическим состоянием материи, как конденсат Бозе – Эйнштейна (иллюстрация с сайта news.bbc.co.uk).

Новая молекула была "изготовлена" из двух атомов рубидия, один из которых был обычным, а второй — ридберговским атомом. Это означает, что один из электронов его внешней оболочки находился в высоковозбуждённом состоянии.

Ридберговские атомы сами по себе — необычные объекты. Они получаются, когда на электронную оболочку действуют лазерным лучом с определённой длинной волны. Говоря упрощённо, один из электронов ридберговского атома отдаляется от ядра на расстояние намного-намного большее, чем электроны в любом другом атоме, но, однако, продолжает быть связанным с ним.

Крис Грин (Chris Greene), физик-теоретик из университета Колорадо, и ряд его коллег ещё в 1970-х годах предсказали, что между ридберговскими и нормальными атомами возможно взаимодействие с образованием молекул. Но поскольку электрон, обеспечивающий это взаимодействие, крайне отдалён от своего родительского атома, получающаяся химическая связь — необычайно слаба, так что в обычных условиях ридберговская молекула попросту не сможет существовать.

Ещё в 2000 году группа исследователей, в которую входил Крис Грин, высчитала конфигурацию двухатомной ридберговской молекулы рубидия, назвав её трилобитом из-за сходства графического представления её внешней электронной оболочки с древней тварью. На рисунке слева показан этот пространственный график, который отражает вероятность нахождения внешнего валентного электрона в той или иной точке пространства, а справа вы можете увидеть непосредственно трилобита (иллюстрация Greene, Dickinson, Sadeghpour, фото с сайта colorado.edu).

Потребовалось много лет совершенствования техники охлаждения атомов до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы наконец стало возможным создание такой экзотической молекулы.

Именно это и проделали Бендковски и её коллеги. Вера поясняет: "Ядра атомов должны быть на правильном расстоянии друг от друга, чтобы электронные поля "нашли" друг друга и начали взаимодействовать. Мы использовали ультрахолодное облако рубидия, в котором по мере снижения температуры атомы газа сближались всё сильнее".

При помощи лазера учёные перевели некоторые из этих атомов в ридберговское состояние. При температуре, очень близкой к нулю, это "критическое расстояние" составило около 100 нанометров.

Эта дистанция между двумя атомами, формирующими молекулу, примерно в 1000 раз больше обычной (десятки и сотни пикометров). Неудивительно, что даже при абсолютном нуле ридберговские молекулы очень нестабильны. Самая долгоживущая из полученных в опыте продержалась 18 микросекунд.

Ещё в 1934 году великий Ферми предсказал, что если один атом встретит "блуждающий" электрон, то сможет взаимодействовать с ним. Но Ферми не дошёл в этом рассуждении до образования молекулы при помощи такого рода сверхслабой связи, поясняет Грин.

Подробности опыта можно найти в статье в Nature.