Физики из Швейцарского федерального технологического института создали молекулу из двух атомов цезия, межатомное расстояние в которой составляет около одного микрометра. Это в тысячи раз больше чем длины связи в привычных молекулах воды. Атомы при этом находятся в так называемых ридберговских состояниях. Время жизни частиц оценивается в десятки микросекунд. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.
В зависимости от того, какой энергией обладает электрон, он может находиться на одной из бесконечного, но строго определенного набора орбиталей атома. Чем больше эта энергия, тем дальше оказывается электрон от ядра, а при превышении некоторой критической величины частица и вовсе покидает атом, происходит ионизация.
Орбитали в атоме можно пронумеровать с помощью главного квантового числа (n). К примеру, в обыкновенном невозбужденном атоме водорода электрон будет располагаться на орбитали с n=1. Поглотив фотон с определенной энергией (соответствующей длине волны 121,6 нанометра) электрон может перейти на орбиталь с n=2. Следующий переход на n=3 потребует гораздо меньшую энергию (фотон с длиной волны 656,3 нанометра) и так далее. Точно такую же нумерацию можно ввести и в более сложных атомах.
Как правило, возбужденные состояния живут недолго — переход между первым возбужденным и основным состояниями происходит за наносекунды. Однако с ростом номера орбитали, на которой находится электрон, время жизни начинает расти, достигая долей миллисекунд или даже секунд (при n ≈ 1000). Таким орбиталям соответствуют огромные, по сравнению с обычными атомами, радиусы — вплоть до долей миллиметра. Эти экзотические состояния получили название ридберговских атомов.
Ранние расчеты физиков показали, что ридберговские атомы могут объединяться в молекулы с характерными длинами связей сопоставимыми с радиусом самих атомов. Хотя это предсказание уже было экспериментально подтверждено, авторы новой работы отметили, что в вычислениях были сделаны существенные допущения. Целью исследования было поднять точность моделирования и сравнить его с реальными данными.
В эксперименте физики создавали молекулы, состоящие из двух ридберговских атомов цезия. Электроны в них находились соответственно на 43 и 44 возбужденных уровнях. На первом этапе ученые получали холодный газ из атомов цезия — характерные расстояния между атомами составляли порядка одного микрометра. Затем небольшую долю атомов возбуждали с помощью лазерного импульса на 44 возбужденный уровень. После этого облако освещали с помощью второго лазера. Энергия его фотонов была меньше, чем требуется для возбуждения на 43 уровень. Разность энергий в точности соответствовала тому количеству энергии, которая выделилась бы при образовании молекулы из атомов — эта величина была получена из новых расчетов.
Подтвердить рождение ридберговских молекул физикам удалось по характерным следам распада димеров: когда один из атомов переходит на менее возбужденное состояние, он излучает энергию, которую может поглотить второй атом. Это приводит к ионизации последнего, что и фиксировали ученые.
Как рассказывают авторы, по данным уточненной модели многие ридберговские молекулы, предсказанные ранее, на самом деле не могут существовать.
Системы, подобные изученной авторами, могут найти применение в квантовых компьютерах, играя роль логических вентилей. Кубитами при этом будут состояния ридберговских атомов. Отсутствие внутри димеров притяжения и отталкивания, обеспечит высокую точность производимых операций.
Кроме того, ридберговские атомы интересны и с фундаментальной точки зрения. Например, с их помощью физики создали молекулу с рекордным дипольным моментом — в тысячи раз более полярную, чем молекула воды. Один из атомов при этом находился в ридберговском состоянии, а другой — в обычном.
Владимир Королёв