Исследователи из США и Германии впервые наблюдали процесс, при котором два атома связываются через один электрон, находящийся на огромном расстоянии от них, образуя особую молекулярную структуру, напоминающую по форме «бабочку». Об этом рассказано в статье, опубликованной в журнале Nature Communications. В обычных атомах электроны находятся на расстоянии всего в несколько ангстрем (около 0,1 нанометра) от ядра, однако в так называемых ридберговских атомах электрон может находиться в сотни и даже тысячи раз дальше, на невероятно большом удалении.
В 2002 году ученые установили, что такие электроны способны связывать атомы даже на очень больших расстояниях, формируя необычную молекулу Ридберга, — поясняет Крис Грин из университета Пардью (США). Вместе с коллегами он впервые визуализировал движение электронов в этой молекуле — каждый электрон вращается вокруг своего ядра по орбитам, напоминающим по форме крылья бабочки. Для этого исследователи изучали атомы рубидия — щелочного металла, охлажденного практически до абсолютного нуля, то есть до температуры около 100 нанокельвинов.
При таких низких температурах облака из рубидиевых атомов, помещенные в вакуумную камеру, переходят в необычное состояние вещества — конденсат Бозе — Эйнштейна. Эта субстанция обладает уникальными свойствами: она ведет себя как единый атом, сохраняя при этом характерные «атомные» характеристики.
По словам ученых, это открывает широкие возможности для точного управления такими «искусственными атомами». Используя этот эффект, американские и немецкие физики превратили конденсат в ридберговский атом, «вырывая» один из электронов из коллективного атома с помощью лазерного импульса и затем соединяя его с другим атомом рубидия, контролируя частоту лазерных лучей. Облучая эту молекулу лазерным излучением, исследователи впервые получили спектр, подтверждающий сходство структуры с бабочкой, а также изучили ее свойства, измерив силу взаимодействия между атомами Ридберга и электроном.
Одним из исключительных свойств таких молекул в форме «бабочек» является их высокий дипольный момент — внутри молекулы формируются области с частичными положительными и отрицательными зарядами, несмотря на то, что она состоит из двух идентичных атомов. Это делает молекулу чувствительной к слабым электрическим полям, что облегчает ее манипуляцию и движение.
По словам Грина, подобные исследования помогут ускорить создание первых квантовых вычислительных устройств и молекулярных машин. Ридберговские атомы давно рассматриваются в качестве потенциальной основы для кубитов — основных элементов квантовых компьютеров, однако ранее возникали значительные трудности в управлении ими.
Применение же молекул-«бабочек», как надеются ученые, станет важным шагом вперед в этом направлении.