Немецкие физики из Университета Кайзерслаутерн — Ландау впервые создали чистые молекулы трилобита Ридберга. Необычные структуры отличаются самым большим электрическим дипольным моментом среди всех известных молекул и внешне напоминают окаменелости трилобитов. Открытие позволило ученым по-новому взглянуть на квантовую активность электронов, когда они рассеиваются вблизи атомов.

Для своего эксперимента физики использовали облако атомов рубидия, охлажденное в сверхвысоком вакууме примерно до 100 мкК — это примерно на 0,0001 градуса выше абсолютного нуля. С помощью лазеров ученые перевели некоторые из этих атомов в ридберговское состояние.

В этом процессе самый внешний электрон в каждом случае выводится на далекие орбиты вокруг атомного тела. Радиус орбиты электрона может составлять более 1 мкм, что делает электронное облако больше, чем небольшая бактерия, – Хервиг Отт, соавтор исследования.

Если внутри этого гигантского «пузыря» находится другой атом, который находится в основном (невозбужденном) состоянии, образуется молекула. При этом между атомами возникает ни на что непохожая химическая связь. Если в обычных молекулах бывают ковалентные, ионные, металлические или диполярные связи, то внутри трилобита «клеем» служит квантово-механическое рассеяние ридберговского электрона.

Представьте себе электрон, который быстро вращается вокруг ядра. При каждом путешествии он сталкивается с атомом, который находится в основном состоянии. В отличие от нашей интуиции, квантовая механика учит нас, что эти столкновения приводят к эффективному притяжению между электроном и атомом, – Макс Альтон, соавтор исследования.

Форма молекулы (слева) напоминает ископаемый трилобит (справа). Фото: AG Ott, RPTU

Свойства этих молекул удивительны: из-за волновой природы электрона множественные столкновения приводят к интерференционной картине, похожей на трилобита. Более того, длина связи молекулы равна длине орбиты электрона — намного больше, чем у любой другой двухатомной молекулы. А поскольку возбужденный электрон сильно притягивается вторым атомом постоянный электрический дипольный момент чрезвычайно велик: более 1700 дебаев.

Ученые использовали спектроскопию для обнаружения и изучения этих странных молекул. Результаты эксперимента помогают понять фундаментальные механизмы связи между атомами в основном состоянии и ридберговскими атомами, которые в последнее время стали многообещающей платформой для квантовых вычислений.