- Источник:
Коллаж «Вокруг света» / AG Ott / Legion Media
Физики впервые создали в лаборатории необычную атомную структуру, известную как молекула трилобита Ридберга. Это позволило им по-новому посмотреть на квантовую активность электронов, когда они рассеиваются вблизи атомов. А поскольку их химические связи не похожи ни на какие другие из известных, полученные результаты открывают возможности для разработки более совершенных теоретических моделей молекул и понимания их динамики.
Молекулы Ридберга создаются из типа атома, известного как атом Ридберга. В обычном атоме есть ядро, окруженное крошечным роем электронов. И если добавить ему хоть немного энергии, этот рой немного расширится, сделав атом чуть больше и свободнее. Так вот атом Ридберга — это то, что получится, если добавить много энергии в условиях, позволяющих ему по-прежнему удерживать свои электроны.
В этом случае он довольно сильно раздуется, а электроны будут связаны настолько свободно, насколько это возможно, не улетая. При этом способ прилипания атомов друг к другу в молекуле Ридберга может сильно отличаться от связей, соединяющих более традиционные молекулы. Они могут выглядеть совсем по-разному — структура распределения электронов может напоминать, например, трилобита или бабочку.
Немецкие физики, впервые создавшие чистые трилобитные молекулы Ридберга, начали свой эксперимент с атомов рубидия, охлажденных до температуры всего 0,0001 градуса выше абсолютного нуля. Как исследователи в журнале Nature Communications, с помощью лазеров они перевели некоторые из них в ридберговские состояния.
Молекула Ридберга может быть создана путем помещения атома в основном состоянии — того, который не был возбужден в состояние Ридберга — в пухлый электронный рой ридберговского атома. При этом два атома слипаются не стандартными химическими связями, а странным квантовым притяжением.
«В этом процессе самый внешний электрон в каждом случае выводится на далекие орбиты вокруг атомного тела. Радиус орбиты электрона может составлять более одного микрометра, что делает электронное облако больше, чем небольшая бактерия».
Как объясняют ученые, именно квантово-механическое рассеяние ридберговского электрона на атоме в основном состоянии связывает их вместе. Физики предлагают представить, что электрон, быстро вращаясь вокруг ядра, постоянно сталкивается с атомом в основном состоянии, и эти столкновения приводят к эффективному притяжению между электроном и атомом. Из-за повторяющихся столкновений электроны распределяются в интерференционную картину, напоминающую сегментированный панцирь трилобита.
Есть у него и другие интересные и странные свойства. Например, 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 велика. Это означает, что электрический дипольный момент у молекул Ридберга куда выше, чем у любой другой. У молекул Ридберга, которые наблюдали физики, электрический дипольный момент составлял более 1700 дебаев, что считается чрезвычайно высоким показателем. К примеру, для молекул воды эта мера составляет менее 2 дебаев.
Физики , что такие молекулы могут управляться внешними электрическими полями, что делает возможным их использование для квантовых вычислений. В последнее время квантовый мир все больше захватывает умы ученых. Один даже засунул «палец» в квантовую жидкость — просто чтобы узнать, что будет дальше.
