Создана молекула с самым большим дипольным моментом

Американские ученые из Университета Оклахомы создали молекулу с рекордно высоким дипольным моментом из ранее наблюдавшихся, ключ к ее постройке - использование ридберговских атомов. Статья опубликована в журнале Science.

Ридберговские атомы - особый класс водородоподобных атомов, в которых внешний электрон находится в высоковозбужденном состоянии, соответствующем значениям главного квантового числа (порядкового номера энергетического уровня) вплоть до n=1000. Радиус соответствующей орбитали при этом может быть в миллионы раз больше радиуса обычных атомов, но электрон все равно остается связанным с ядром.

Авторы поставили себе задачу создать молекулу из двух атомов цезия, один из которых находился бы в ридберговском состоянии. Теория предсказывает, что при больших значениях орбитального квантового числа l внешнего электрона частица будет обладать дипольным моментом порядка нескольких тысяч Дебай (для сравнения, у воды - 1,84 Дебай).

Охлажденные до 40 милликельвинов атомы цезия помещали в специальную магнито-оптическую ловушку и облучали импульсами двух лазеров. Ридберговское состояние возникало в результате двухфотонного поглощения, в два этапа переводившего электрон на далекую орбиталь, после чего происходило связывание возбужденного атома с невозбужденным. Диаметр получающейся частицы составлял более 100 нанометров, однако ее можно считать молекулой благодаря наличию электронной связи.

Исследуя молекулярные спектры авторы показали, что значение дипольного момента полученных частиц составляет от 1910 до 2330 Дебай, что в сотни и тысячи раз превышает наблюдавшиеся ранее величины для аналогичных молекул из рубидия. Причиной этому послужило высокое содержание вырожденных состояний, характеризующихся большими l.

Молекулы, подобные описанной в статье, были впервые предсказаны в 1970-ых годах, но впервые их синтезировали лишь в 2009 году, поскольку связь между возбужденным и невозбужденным атомом слишком слаба и может существовать лишь в определенных условиях. Одной из потенциальных областей применений для полученных систем являются сильно коррелированные квантовые системы, такие как, например, квантовые компьютеры.