Странная молекула, наконец, создана

Молекула, известная как молекула Ридберга, формируется благодаря неуловимой и чрезвычайно слабой химической связи между двумя атомами.

Электроны двигаются по орбите вокруг центрального ядра

Новый тип соединения появляется, когда у одного из двух атомов составляющих молекулу есть электрон, отдалённый от ядра.

Это открытие укрепляет фундаментальную квантовую теорию Ферми. Эта теория о том, как электроны ведут себя и взаимодействуют друг с другом.

Рассматриваемая в исследовании молекула Ридберга были сформированы из двух атомов рубидия - одного атома Ридберга и одного "нормального" атома.

Движение и положение электронов в пределах атома могут быть описаны как движение по кругу вокруг центрального ядра – каждый набор орбитальных электронов расположен всё дальше от центра.

Атом Ридберга особенный, так у него на наиболее удаленной орбите всего один электрон - очень далеко, в атомных масштабах, от ядра.

Ещё в 1934 году Ферми предсказал что, другой атом может взаимодействовать с этим одиноким блуждающим электроном.

«Однако Ферми никогда не предполагал, что такие молекулы могли быть сформированы в лаборатории», - объясняет Крис Грине (Chris Greene), физик из университета Колорадо, первый предсказавший то, что молекулы Ридберга могут реально существовать.

«В нашей работе 70-80-ых годов мы признали, что может существовать в своём роде силовое поле между атомом Ридберга и нормальным атомом».

«Однако создание этой молекулы стало возможной только в сейчас, когда учёные могут получать очень холодные системы».

В нужное время, в нужном месте

Учёные объясняют, что невообразимо низкие температуры необходимы, чтобы создавать такие молекулы.

"Чтобы поля электронов могли найти друг друга и взаимодействовать, ядра атомов должны быть на правильном расстоянии друг от друга", - рассказывает Вера Бендковски из университета Штутгарта, Германия, создатель этой молекулы.

«Мы использовали сверххолодное облако рубидия - когда вы охлаждаете его, атомы газа придвигаются друг к другу».

Исследователи насыщают лазером атом до "состояния Ридберга"

При температурах очень близко к абсолютному нулю, минус 273C, между атомами достигается "критическое расстояние" приблизительно в 100 нм (1 нм = одна миллионная миллиметра).

Когда один из атомов является атомом Ридберга, то эти два атома формируют молекулу Ридберга. По сравнению с обычными молекулами промежуток в 100 нм огромен.

«Электрон Ридберга напоминает овчарку, которая удерживает стадо вместе, бродя по края стада и подталкивая в центр любую овцу, которая начинает отдаляться от центра».

Помещение этого электрона на периферию, т.е. создание атома Ридберга, требует большой энергии.

"Мы насыщаем атомы до стадии Ридберга лазером", - объясняет Бендковски.

"Если у нас есть газ с критической плотностью, с двумя атомами, которые в состоянии сформировать молекулу, на правильном расстоянии, и мы насыщаем один из них до состояния Ридберга, тогда мы можем сформировать молекулу Ридберга".

Этот сверххолодный эксперимент является также сверхбыстрым - самая долгоживущая молекула Ридберка протянула 18 микросекунд.

Тот факт, что молекулы могут быть сделаны и обнаружены, подтверждает старые фундаментальные атомные теории.

"Это - очень захватывающий набор экспериментов", - добавляет Хелен Филдинг (Helen Fielding), физик из университетского колледжа Лондона.

"Они показывают, что этот подход выполним, и будет интересно увидеть ту фундаментальную физику, которую мы будем в состоянии проверить с ними".

Озарение

Предсказание профессора Грине, что молекулы Ридберга могут существовать в реальности, было вдохновлено другим нобелевским лауреатом.

В 1924 году индийский физик Шатьендранат Бозе прислал Альберту Энштейну некоторые свои теоретические выкладки, в результате чего Энштейн сделал одно из своих предсказаний.

Он заявил, что, если газ охладить до очень низкой температуры, то все атомы внезапно перейдут в свое "самое низкое состояние энергии", таким образом, они наморозятся и будут вести себя идентичным и предсказуемым способом.

В некотором смысле это аналог конденсации газа в виде капель жидкости.

Когда ученые, охлаждая и заманивая щелочные атомы в ловушку, достигли уплотнения Бозе-Энштейна, Грине понял, что криофизику можно использовать для формирования молекул, которые просто не существуют ни в каких других условиях.

По материалам BBC News