Эскиз молекулы трилобита Ридберга. 
a Эскиз молекулы Ридберга. Координаты ридберговского электрона (синий) и атома в основном состоянии (зеленый) относительно ридберговского ядра (красный) обозначены черными стрелками. Соответствующие спины — это спины ридберговского электрона s1, электрона атома в основном состоянии s2 и ядерный спин атома в основном состоянии I. 
b Эскиз молекулы трилобита. Ридберговское ядро и атом в основном состоянии показаны (с преувеличенным размером) в виде красных и зеленых сфер соответственно. Плотность электронной вероятности, проецируемая на 2D, обозначена плотностью синих точек.
Авторы и права: Nature Communications (2023 г.). DOI: 10.1038/s41467-023-43818-7

Физикам из Кайзерслаутерна в команде профессора доктора Хервига Отта впервые удалось напрямую наблюдать чистые молекулы трилобита Ридберга. Особенно интересно то, что эти молекулы имеют очень своеобразную форму, напоминающую окаменелости трилобитов. Они также обладают самыми большими электрическими дипольными моментами среди всех известных молекул на сегодняшний день.

Исследователи использовали специальный аппарат, способный готовить эти хрупкие молекулы при сверхнизких температурах. Результаты раскрывают механизмы их химического связывания, которые отличаются от всех других химических связей. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Для своего эксперимента физики использовали облако атомов рубидия, охлажденное в сверхвысокий вакуум примерно до 100 микрокельвинов — 0,0001 градуса выше абсолютного нуля. Впоследствии они с помощью лазеров перевели некоторые из этих атомов в так называемое ридберговское состояние. «В этом процессе самый внешний электрон в каждом случае выводится на далекие орбиты вокруг атомного тела», — сказал профессор Хервиг Отт, который исследует ультрахолодные квантовые газы и оптику квантовых атомов в Университете Кайзерслаутерн-Ландау.

«Радиус орбиты электрона может превышать один микрометр, что делает электронное облако больше, чем небольшая бактерия». Такие высоковозбужденные атомы также образуются в межзвездном пространстве и химически чрезвычайно активны.

Если теперь внутри этого гигантского ридберговского атома находится атом основного состояния, образуется молекула. В то время как стандартные химические связи бывают ковалентными, ионными, металлическими или диполярными, молекулы трилобита связываются по совершенно иному механизму.

«Это квантово-механическое рассеяние ридберговского электрона на атоме в основном состоянии, которое склеивает их вместе», — сказал Макс Альтон, первый автор исследования. «Представьте себе электрон, быстро вращающийся вокруг ядра. При каждом путешествии туда и обратно он сталкивается с атомом основного состояния. В отличие от нашей интуиции, квантовая механика учит нас, что эти столкновения приводят к эффективному притяжению между электроном и атомом в основном состоянии».

Свойства этих молекул удивительны: из-за волновой природы электрона множественные столкновения приводят к интерференционной картине, похожей на трилобит. Более того, длина связи молекулы равна длине ридберговской орбиты — намного больше, чем у любой другой двухатомной молекулы. А поскольку электрон так сильно притягивается атомом в основном состоянии, постоянный электрический дипольный момент чрезвычайно велик: более 1700 Дебая.

Чтобы наблюдать эти молекулы, ученые разработали специальный вакуумный аппарат. Он позволяет получать ультрахолодные атомы посредством лазерного охлаждения и последующего спектроскопического обнаружения молекул. Результаты помогают нам понять фундаментальные механизмы связи между атомами в основном состоянии и ридберговскими атомами, которые недавно стали многообещающей платформой для приложений квантовых вычислений. Открытие исследователей дополняет понимание ридберговских систем, которые могут быть одновременно экзотическими и полезными.