Физики увидели гигантскость ионизированных ридберговских молекул

Немецкие физики сообщили об успешном синтезе ионизированных ридберговских молекул с помощью облучения лазерами ультрахолодного облака атомов рубидия. Они не только смогли снять их колебательный спектр, но также и визуализировать распределение ядер внутри нее с помощью ионного микроскопа. Результаты показали, что типичное расстояние между ядрами в такой молекуле слегка превышает четыре микрометра. Исследование опубликовано в Nature.

Ридберговские атомы — это крайне интересные объекты. Они представляют собой атомы, у которых один из электронов возбужден настолько сильно, что радиус его орбиты на несколько порядков превышает таковой у обычного атома. Если расположить остовы ридберговских атомов в ячейки оптической решетки, то такие массивы можно использовать в качестве квантовых симуляторов (подробнее о таких вычислителях читайте в материале «Квантовое преследование»).

Другой интерес к ридберговским атомам связан с задачами ультрахолодной химии, развитие которой позволило изучать новые типы химической связи, недоступные в обычной химии. Молекулы с участием таких атомов обладают гигантскими размерами (порядка микрометра) и дипольными моментами (порядка нескольких тысяч дебай), а волновые функции ридберговских электронов имеют очень сложную форму, напоминающую трилобита. В русле этих исследований теоретики активно обсуждают свойства ионизованных ридберговских молекул, то есть связи иона и ридберговского атома, но данных об их успешном синтезе до недавнего времени не было.

Теперь же Тильман Пфау (Tilman Pfau) вместе со своими коллегами из Штутгартского университета сообщили о том, что им удалось получить и исследовать такие ионизированные молекулы, облучая лазерами облако ультрахолодных атомов рубидия. Ученым не только удалось снять спектр и подтвердить образование этих экзотических объектов, но и визуализировать с помощью ионного микроскопа распределение остова ридберговского атома относительно иона, подтвердив, что длина образующейся в молекуле химической связи чуть больше четырех микрометров.

Качественно механизм образования ионизированной ридберговской молекулы можно понять, если следить за дипольным моментом атома по мере его приближения к иону. На достаточно далеких расстояниях положительное поле иона эффективно перераспределяет электронную плотность в свою сторону, из-за чего весь атом притягивается к нему. Однако в некоторых случаях при приближении атома его дипольный момент может поменять направление. На более строгом языке это можно описать с помощью антипересечения зависимостей энергий разных ридберговских состояний от расстояния. Расчеты показывают, что потенциальная яма образуется на верхней ветви антипересечения, когда ион и остов ридберговского атома разделены несколькими микронами.

Ориентируясь на эти вычисления, авторы разработали протокол эксперимента. Он состоял из синтеза ионизированных ридберговских молекул в ультрахолодном (20 микрокельвин) облаке атомов рубидия с помощью лазерных лучей. Физики использовали пучки света с длинами волн 420 и 1010 нанометров для двухфотонной ионизации одного атома, а пучки с длинами волн 780 и 480 для двухфотонного возбуждения другого и фотоассоциации обоих в нужную связанную систему. Продукты ее распада фиксировал ионный микроскоп с помощью ускоряющих и диссоциирующих электрических полей. Полный эксперимент состоял из 6080 циклов измерений.

Ученые удостоверились в том, что в облаке рождаются нужные молекулы несколькими способами. Во-первых, они строили зависимость частоты срабатывания детектора от отстройки фотоассоциирующего (480 нанометров) лазерного луча с шагом в полмегагерца. Это позволило им прозондировать хрупкую колебательную структуру молекулы и убедится в том, что теория прекрасно ее воспроизводит. Во-вторых, авторы, помимо обычного ускоряющего электрического поля ионного микроскопа, разгоняющего ионы вдоль его оптической оси, прикладывали слабое (2,3 милливольт на сантиметр) поперечное поле. Это приводило к появлению двух пятен в фокальной плоскости микроскопа, чьи расстояния от начала координат отличались ровно в два раза. Одно из пятен соответствовало одиночным ионам рубидия, а второе — молекулярным ионам, чья масса в два раза больше.

Наконец, физики смогли визуализировать то, как распределены друг относительно друга ион и остов ридбергского атома. Для этого в обычном режиме работы микроскопа они собирали статистику по расстояниям и пространственным ориентациям сигналов, соответствующих прилету двух ионов (второй ион появлялся после распада ридберговского атома). Результат они представили в виде распределения остова относительно иона для двух различных поляризаций последнего лазерного луча (8000 и 12000 измерений). Полученное изображение показало, что наиболее вероятное расстояние между ядрами равно 4,3 микрометра.

Не так давно мы рассказывали про то, как физики синтезировали ионизированные димеры лития при температуре всего в несколько микрокельвинов.

Марат Хамадеев