Странные молекулы в форме трилобита впервые созданы в лаборатории

Впервые в лаборатории физикам удалось создать странную хрупкую структуру, известную как молекула трилобита Ридберга.

Создание и наблюдение этих экзотических атомных структур позволило ученым по-новому взглянуть на квантовая активность электронов при их рассеянии вблизи атомов.

Поскольку их химические связи не похожи ни на какие другие (которые мы знаем), полученные результаты открывают возможности для разработки более совершенных теоретических моделей молекул и понимания их динамики.

Молекулы Ридберга созданы из типа атома, известного как атом Ридберга. В обычном атоме есть ядро, окруженное крошечным роем электронов. Если вы добавите атому немного энергии, рой электронов немного выдыхается, делая атом чуть-чуть больше и свободнее.

Атом Ридберга — это то, что вы получаете, когда добавляете много энергии. энергии в условиях, которые позволяют ему по-прежнему удерживать свои электроны. Он раздувается довольно сильно, для атома, многие микроны в поперечнике, и электроны связаны настолько свободно, насколько это возможно, не улетая.

Поскольку они такие неуклюжие, ридберговские атомы своего рода ведут себя преувеличенным образом, что делает их полезными для проведения экспериментов.

Молекулы — это расположения атомов, которые каким-то образом слипаются друг с другом, например, за счет совместного образования электронов или, возможно, за счет контрастных зарядов. Если вы используете атом Ридберга, вы получите молекулу Ридберга, но способ, которым атомы прилипают друг к другу, может сильно отличаться от связей, которые соединяют более обычные молекулы.

И они могут выглядеть совсем по-другому, с закономерности распределения электронов, которые могут напоминать, скажем, трилобита или бабочку.

Под руководством физика Макса Альтона из Университета Кайзерслаутерн-Ландау группа ученых в лаборатории Хервига Отта создала в первый раз — чистые молекулы трилобита Ридберга.

Они начали с атомов рубидия, охлажденных до температуры всего на 0,0001 градуса выше абсолютного нуля. Затем они использовали лазер, чтобы перевести некоторые атомы в ридберговские состояния.

«В этом процессе самый внешний электрон в каждом случае перемещается на далекие орбиты вокруг атомного тела», — говорит Отт. «Радиус орбиты электрона может составлять более одного микрометра, что делает электронное облако больше, чем небольшая бактерия».

Молекелу Ридберга можно создать, перенеся атом в основное состояние – тот, который еще не был возбужденное в ридберговское состояние – в пухлый электронный рой ридберговского атома, причем два атома слипаются не обычными химическими связями, а странным квантовым притяжением.

«Это квантово-механическое рассеяние ридберговского состояния. электрон из атома в основном состоянии, который склеивает их вместе», — объясняет Альтон.

«Представьте себе, что электрон быстро вращается вокруг ядра. При каждом путешествии туда и обратно он сталкивается с атомом в основном состоянии. В отличие от Согласно нашей интуиции, квантовая механика учит нас, что эти столкновения приводят к эффективному притяжению между электроном и атомом в основном состоянии».

Из-за повторяющихся столкновений электроны распределяются в интерференционную картину, напоминающую сегментированную картину. панцирь трилобита.

У него есть и другие интересные и странные свойства. Длина молекулярной связи почти равна ридберговской орбите, то есть довольно велика для атомных масштабов. И сила притяжения между электроном и атомом в основном состоянии тоже довольно высока.

Это означает, что молекулы Ридберга имеют более высокий электрический дипольный момент, чем любая другая молекула; то есть разделение между положительными и отрицательными электрическими зарядами, также известное как полярность.

Молекулы трилобита Ридберга, наблюдаемые Альтоном и его коллегами, имеют электрический дипольный момент более 1700 дебаев, и это чрезвычайно высокий показатель. . Для молекул воды эта мера составляет менее 2 дебай.

Возможность не просто создавать, но и исследовать чистые трилобитные ридберговские молекулы дает физикам новый инструмент для тестирования и понимания квантовой реальности.

У него также есть потенциальные применения для квантовой обработки информации. И, по словам исследователей, его можно было бы применить более широко для изучения этих странных молекул у разных видов.

«В заключение мы измерили две колебательные серии чистых молекул трилобита Ридберга, используя трехфотонную фотоассоциацию, » они пишут. «С помощью этого метода должно стать возможным создание молекул трилобита в любом элементе, имеющем отрицательную длину рассеяния поперечной волны».

Исследование было опубликовано в Nature Communications.