Німецькі фізики повідомили про успішний синтез іонізованих ридбергівських молекул за допомогою опромінення лазерами ультрахолодної хмари атомів рубідію. Вони не тільки змогли зняти їх коливальний спектр, але також і візуалізувати розподіл ядер всередині неї за допомогою іонного мікроскопа. Результати показали, що типова відстань між ядрами в такій молекулі злегка перевищує чотири мікрометри. Дослідження опубліковано в.
Рідбергівські атоми - це вкрай цікаві об'єкти. Вони являють собою атоми, у яких один з електронів збуджений настільки сильно, що радіус його орбіти на кілька порядків перевищує такий у звичайного атома. Якщо розташувати остови ридбергівських атомів у комірки оптичної решітки, то такі масиви можна використовувати як квантові симулятори (докладніше про таких обчислювачів читайте в матеріалі «Квантове переслідування»).
Інший інтерес до ридбергівських атомів пов'язаний із завданнями ультрахолодної хімії, розвиток якої дозволив вивчати нові типи хімічного зв'язку, недоступні в звичайній хімії. Молекули за участю таких атомів володіють гігантськими розмірами (порядку мікрометра) і дипольними моментами (близько декількох тисяч дебай), а хвильові функції ридбергівських електронів мають дуже складну форму, що нагадує трилобіта. У руслі цих досліджень теоретики активно обговорюють властивості іонізованих ридбергівських молекул, тобто зв'язку іона і ридбергівського атома, але даних про їх успішний синтез донедавна не було.
Тепер же Тільман Пфау (Tilman Pfau) разом зі своїми колегами зі Штутгартського університету повідомили про те, що їм вдалося отримати і досліджувати такі іонізовані молекули, опромінюючи лазерами хмару ультрахолодних атомів рубідію. Вченим не тільки вдалося зняти спектр і підтвердити утворення цих екзотичних об'єктів, але і візуалізувати за допомогою іонного мікроскопа розподіл остова ридбергівського атома щодо іона, підтвердивши, що довжина хімічного зв'язку, що утворюється в молекулі, трохи більше чотирьох мікрометрів.
Якісно механізм освіти іонізованої ридбергівської молекули можна зрозуміти, якщо стежити за дипольним моментом атома в міру його наближення до іону. На досить далеких відстанях позитивне поле іона ефективно перерозподіляє електронну щільність в свою сторону, через що весь атом притягується до нього. Однак у деяких випадках після наближення атома його дипольний момент може поміняти напрямок. Більш суворою мовою це можна описати за допомогою антипересічення залежностей енергій різних ридбергівських станів від відстані. Розрахунки показують, що потенційна яма утворюється на верхній гілці антипересічення, коли іон і остов рідбергівського атома розділені кількома мікронами.
Орієнтуючись на ці обчислення, автори розробили протокол експерименту. Він складався з синтезу іонізованих ридбергівських молекул в ультрахолодній (20 мікрокельвін) хмарі атомів рубідію за допомогою лазерних променів. Фізики використовували пучки світла з довжинами хвиль 420 і 1010 нанометрів для двофотонної іонізації одного атома, а пучки з довжинами хвиль 780 і 480 для двофотонного збудження іншого та фотоасоціації обох у потрібну пов'язану систему. Продукти її розпаду фіксував іонний мікроскоп за допомогою прискорюючих і дисоціруючих електричних полів. Повний експеримент складався з 6080 циклів вимірювань.
Вчені впевнилися в тому, що в хмарі народжуються потрібні молекули кількома способами. По-перше, вони будували залежність частоти спрацьовування детектора від відбудови фотоасоціюючого (480 нанометрів) лазерного променя з кроком у півмегагерця. Це дозволило їм прозондувати крихку коливальну структуру молекули і переконається в тому, що теорія прекрасно її відтворює. По-друге, автори, крім звичайного прискорюючого електричного поля іонного мікроскопа, що розганяє іони вздовж його оптичної осі, прикладали слабке (2,3 мілівольт на сантиметр) поперечне поле. Це призводило до появи двох плям у фокальній площині мікроскопа, чиї відстані від початку координат відрізнялися рівно в два рази. Одна з плям відповідала одиночним іонам рубідію, а друга - молекулярним іонам, чия маса вдвічі більша.
Нарешті, фізики змогли візуалізувати те, як розподілені один щодо одного іон і остов ридберзького атома. Для цього в звичайному режимі роботи мікроскопа вони збирали статистику відстаней і просторових орієнтацій сигналів, що відповідають прильоту двох іонів (другий іон з'являвся після розпаду рідбергівського атома). Результат вони представили у вигляді розподілу остова відносно іону для двох різних поляризацій останнього лазерного променя (8000 і 12000 вимірювань). Отримане зображення показало, що найбільш вірогідна відстань між ядрами дорівнює 4,3 мікрометра.
Не так давно ми розповідали про те, як фізики синтезували іонізовані дімери літію при температурі всього в кілька мікрокельвінів.