Физикам из Германии и США удалось зарегистрировать отличный от нуля постоянный электрический дипольный момент (ЭДМ) в эксперименте с одноэлементной молекулой.

Ненулевой ЭДМ, напомним, создаётся в результате пространственного разделения разноимённых зарядов. У молекул возникновение постоянного дипольного момента связано с тем, что их составляющие имеют разные значения электроотрицательности, и электронная плотность (заряд) смещается к более электроотрицательному атому. В симметричной системе, образованной одинаковыми атомами, такой механизм, естественно, не работает.

Около десяти лет назад группа американских учёных представила теоретическое описание двухатомных одноэлементных молекул, которые всё же могут иметь постоянный ЭДМ. Необходимую асимметрию в предложенной модели обеспечивало то, что один из атомов находился в высоковозбуждённом ридберговском состоянии с большим главным квантовым числом. Ридберговские частицы имеют макроскопические размеры и отличаются экстремально слабой связью электрона в атоме.

Рис. 1. Ридберговская молекула, в которой у одного из атомов электрон находится в высоковозбуждённом состоянии (иллюстрация Robert Löw).

Первая ридберговская молекула рубидия была создана в 2009-м. Авторы новой работы повторили этот опыт, используя атомы ⁸⁷Rb, захваченные в магнитную ловушку и охлаждённые до 3 мкК. В ридберговские состояния их переводили путём двухфотонного возбуждения, а лазерное излучение способствовало объединению атомов в молекулы — фотоассоциации.

Полученные молекулы учёные помещали в электрическое поле, регистрируя вызванные этим расщепление и сдвиг спектральных линий (эффект Штарка). Штарковские модификации спектра связаны с величиной ЭДМ, что и помогло экспериментаторам оценить дипольный момент, измеренное значение которого — ~1 дебай — прекрасно согласуется с результатами теоретических расчётов.

Результаты исследований опубликованы в статье:

W. Li, T. Pohl, J. M. Rost, Seth T. Rittenhouse, H. R. Sadeghpour, J. Nipper, B. Butscher, J. B. Balewski, V. Bendkowsky, R. Löw, T. Pfau A Homonuclear Molecule with a Permanent Electric Dipole Moment. – Science 25 November 2011: Vol. 334. – no. 6059. – pp. 1110–1114; DOI: 10.1126/science.1211255.