Исследователи из Германии завершили 20‑летний поиск необычной молекулы — им удалось создать так называемую молекулу‑бабочку. Открытие описано в журнале Physical Review Letters: группа ученых под руководством Хервига Отта из Университета прикладных наук Кайзерслаутерн‑Ландау впервые экспериментально получила эту экзотическую структуру.
Речь идет о ридберговских молекулах — особом классе соединений с ультрадлинным радиусом. Они возникают, когда обычный атом связывается с ридберговским: его внешний электрон удаляется от ядра настолько далеко, что размер атома увеличивается в тысячи раз. Из‑за разных орбитальных форм удаленных электронов такие молекулы приобретают причудливые очертания — одни напоминают трилобитов, другие похожи на крылья бабочки. Кроме того, они в тысячи раз чувствительнее к электрическим полям, чем обычные молекулы.
Получить молекулу типа «бабочка» было особенно сложно. Причина — в особой квантовой спиновой конфигурации, известной как «спин‑синглетное» состояние. Оно формирует гораздо более слабую молекулярную связь, чем спин‑триплетные конфигурации, которые ученые наблюдали в предыдущих экспериментах.
Как получили молекулу-«бабочку»
Чтобы добиться успеха, команда Отта применила сложную методику. Сначала атомы рубидия охладили до температуры в несколько миллионных долей градуса от абсолютного нуля — для этого использовали комбинацию лазеров и электромагнитных ловушек. Затем с помощью тщательно выверенной последовательности из трех лазерных импульсов часть атомов перевели в ридберговское состояние. Поиск нужной частоты лазера занял несколько недель тонкой настройки.
Когда нужная частота была найдена, результат поразил: молекулы в форме бабочки имели размер около 25 нанометров — больше, чем ширина нити ДНК. Ученые измерили энергию связи молекул, их чувствительность к электрическим полям и время жизни до распада. Полученные данные полностью совпали с теоретическими предсказаниями.
Это открытие не только завершает формирование «квантового зоопарка» ридберговских молекул, но и открывает новые возможности. В перспективе оно может помочь в создании ультрахолодных анионов — отрицательно заряженных атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Такие объекты позволят точнее проверять фундаментальные физические законы и продвинуться в исследованиях антивещества.
Ранее Наука Mail рассказывала, что опыт с ускорением частиц открыл перспективы для термоядерного синтеза.
