Физики увидели колебания ядерной плотности в ридберговских молекулах

Немецкие физики смогли увидеть колебание ядерной плотности в молекуле в реальном времени. Для этого они синтезировали ионизированные ридберговские молекулы в слабом электрическом поле и измеряли распределение ядерной плотности с помощью ионного микроскопа после его выключения. Ученые зафиксировали характерные колебания плотности с мегагерцовой частотой и качественно описали их. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

В квантовой механике важную роль играют так называемые стационарные состояния. Считается, что в них энергия системы максимально определена. Однако, утверждение о том, что волновая функция (или, что эквивалентно, операторы в картине Гейзенберга) при этом совсем не зависит от времени — неверно: фаза состояния равномерно набегает со временем по периодическому закону.

Из-за этого состояния с определенной энергией можно интерпретировать как некоторое стационарное колебание: электронной плотности в окрестности ядра, ядерной плотности в молекулах и так далее. Это приближение хорошо работает, когда время свободной эволюции состояния много больше, чем период одного колебания. В противном же случае необходимо решать динамическое уравнение Шредингера.

Традиционные методы работы с атомами и молекулами, развитые в прошлом веке (в первую очередь, спектроскопические), согласуются со стационарным приближением. Однако в наши дни физики получают доступ к все меньшим временным масштабам. Сейчас ученые могут изучать аттосекундные процессы при ионизации молекул, а рекорд по измерению самого короткого промежутка времени измеряется в зептосекундах. И все же эти результаты касаются косвенных величин, полученных за счет интерференции в ходе сложных динамических процессов. Непосредственное колебание даже ядерной плотности физикам пока недоступно, хотя оно происходит с терагерцовыми частотами для типичных молекул.

Ситуацию могли бы исправить эксперименты с ридберговскими молекулами, один или несколько атомов которой находится на высоковозбужденном уровне. Мы уже рассказывали, как Тильман Пфау (Tilman Pfau) и его коллеги из Штутгартского университета смогли синтезировать ионизированную ридберговскую молекулу из ультрахолодных атомов рубидия и выяснить, что в среднем расстояние между ядрами в ней превышает четыре микрометра. Такое большое расстояние означает, что частоты колебаний ядерной плотности будут малы, и их можно будет наблюдать в динамике. Именно это и удалось сделать группе Пфау.

Экспериментальная процедура, выполненная в этот раз, в целом повторяет ту, что описана в прошлой новости. Вкратце, физики охлаждали облако атомов рубидия до 20 микрокельвин и облучали его системой лазерных лучей для возбуждения и ионизации атомов и их фотоассоциации в ридберговскую молекулу. Для ее характеризации авторы накладывали диссоциирующие и ускоряющие поля и фиксировали продукты распада в ионный микроскоп.

В этот раз ученые добавляли небольшое (порядка нескольких милливольт на обратный сантиметр) электрическое поле в момент фотоассоциации ионизированной молекулы. Энергия молекулы при этом зависела от ее ориентации. Немного отстраивая фотоассоциирующий лазер в область меньших частот, авторы добивались того, чтобы все образующиеся ридберговские молекулы «смотрели» в одну сторону.

На следующем этапе физики отключали поле и определяли распределение ядерной плотности спустя некоторое время после этого, многократно измеряя продукты распада. Оказалось, что ядерная плотность испытывает затухающие колебания с частотой 2,8±0,1 мегагерца и небольшой (доли микрометра) амплитудой. Это качественно сошлось с классическими и одномерными квантовыми симуляциями, которые предсказывают частоту, равную 3,1 мегагерца, и несколько большие амплитуды. Физики объяснили расхождение тем, что, в отличие от симуляций, реальная диссоциация молекулы занимает около 10 наносекунд.

Затухание колебаний также свидетельствует об эффектах ангармоничности. Физики ожидали, что они снова усилятся спустя 6,6 микросекунды, однако в эксперименте этого увидеть не удалось из-за короткого — 2,6±0,1 микросекунды — времени жизни ридберговской молекулы. С помощью моделирования динамики электронной плотности ученые увидели также эволюцию электрического дипольного момента. Его направление менялось в разных фазах колебаний ядерной плотности.

В будущем авторы планируют оптимизировать эксперимент, чтобы увидеть возрождение осцилляций и улучшить сходимость симуляций и эксперимента. Они считают, что их работа проложит путь к экспериментальному исследованию квантовых взаимодействий трех тел за пределами приближения Борна — Оппенгеймера. Ридберговские молекулы также делают возможным отслеживание ультрамедленных химических реакций в реальном времени.

Экспериментальные исследования ридберговских молекул — это молодая область физики, которая развивается последние пятнадцать лет. Мы уже рассказывали, как ученые создавали нейтральные молекулы с одним и двумя атомами в высоковозбужденных состояниях.