Исследователи из Университета Штуттгарта (Universität Stuttgart), Германия, создали реальную молекулу Ридберга, которая просуществовала всего 18 микросекунд, но подтвердила своим существованием возможность создания химических связей совершенно нового типа.

Молекула, известная как молекула Ридберга, формируется в условиях определенной, но чрезвычайно слабой химической связи между двумя атомами.

Новый тип соединения, описанный в новой публикации в журнале Nature, появляется потому, что у одного из двух атомов, составляющих молекулу, имеется электрон, очень удалённый от ядра. Это открытие укрепляет фундаментальную квантовую теорию Ферми- о поведении электрон и их взаимодействии друг с другом. Молекула Ридберга в исследованиях штуттгартских ученых была сформирована из двух атомов рубидия – атома Ридберга и «нормального» атома.

Известно, что движение и положение электронов в пределах атома определяются их вращением вокруг центрального ядра на концентрических разрешенных орбитах, расположенных на определенных расстояниях от ядра или центра атома. Атом Ридберга особенный, поскольку имеет всего один электрон, расположенный на наиболее удаленной орбите – в масштабах атома очень далеко от ядра. Энрико Ферми предсказал, что другой атом может «найти» этот одинокий блуждающий электрон и взаимодействовать с ним.

Проф. Крис Грин (Chris Greene), физик из Университета Колорадо, еще в 70-е годы предсказавший то, что молекулы Ридберга могут реально существовать, комментируя результаты штуттгартских исследователей, отметил, что возможность получения молекулы Ридберга в лабораторных условиях стала реальной только в последние годы, то есть тогда, когда физики научились получать столь низкие температуры. Учёные считают, что очень низкие температуры необходимы, чтобы создавать подобные молекулы. Более того, по мнению д-ра Вера Бендковски (Vera Bendkowsky) из Университета Штуттгарта (экспериментатора, возглавившего проект по созданию молекулы Ридберга), для того, чтобы поля электронов могли взаимодействовать, ядра атомов должны быть на определенном расстоянии друг от друга. Физики из Штуттгарта использовали сверххолодное облако атомов рубидия, поскольку при глубоком охлаждении атомы газа придвигаются друг к другу. При температурах, близких к абсолютному нулю (порядка минус 273C), между атомами достигается «критическое расстояние» приблизительно в 100 нм (1 нм = одна миллионная миллиметра).

Исследователи «накачивали» лазерным излучением атом до «состояния Ридберга»

Когда один из пары соседних атомов является атомом Ридберга, то эти два атома могут сформировать молекулу Ридберга. По сравнению с обычными молекулами промежуток в 100 нм огромен. Поэтому, требуется большая энергия для того, чтобы создать атом с одиночным электроном и переместить этот электрон на внешнюю удаленную оболочку, то есть создать атом Ридберга. Германские ученые «накачивали» атомы до фазы Ридберга облучением лазерным пучком.

Таким образом, как объяснила г-жа Бендковски, имея газ с критической плотностью, а в нем пары атомов на определенном расстоянии, которые в состоянии сформировать молекулу, и мы «накачиваем» энергией один из них, доводя его до состояния Ридберга, а тогда мы можем сформировать молекулу Ридберга". Этот блестящий и «сверххолодный» эксперимент стал также и сверхбыстрым – самая долгоживущая молекула Ридберга существовала всего 18 микросекунд. Тем не менее, тот факт, что молекулы Ридберга могут быть созданы и являются наблюдаемыми, подтверждает фундаментальные атомные теории. По мнению ряда известных физиков, эксперименты группы д-ра Бендковски показывают, что предложенный подход выполним и может оказаться полезным для проверки многих постуллатов фундаментальной физики.

Предсказание проф. Грина, что молекулы Ридберга могут существовать в реальности, было вдохновлено результатами другого исследования. В 1924 году индийский физик Сатьендра Нат Бозе (Satyendra Nath Bose) прислал Альберту Энштейну некоторые свои теоретические выкладки относительно элементарных частиц, на основании которых Энштейн сделал важное заключение.

Альберт Эйнштейн

Он предположил, что, если газ охладить до очень низкой температуры, то все атомы внезапно перейдут в «самое низкое возможное энергетическое состояние», таким образом, они практически «замерзнут», и их поведение будет идентичным и предсказуемым. Когда современные ученые в экспериментах по охлаждению атомов щелочных металлов в ловушках достигли состояния Бозе-Эйнштейна, Грин понял, что криофизику можно использовать для создания молекул, которые просто не существуют ни в каких других условиях.

Евгений Биргер