Немецкие ученые провели эксперимент, который показал, как два атома связываются друг с другом через один электрон, превращаясь в «молекулу-бабочку». Исследователи считают, что это еще один шаг к созданию квантовых компьютеров и молекулярных машин.
Молекулы-бабочки, или ридберговские молекулы, «изготавливают» из двух атомов: обычного и ридберговского — один из электронов его внешней оболочки находится в высоковозбужденном состоянии. Соединять их научились еще несколько лет назад, а вот рассмотреть как следует не могли — очень уж нестабильны.
И вот ученые Технического университета Кайзерслаутерна под руководством профессора Хервига Отта поставили эксперимент при поддержке исследователей из Университета Пердью. Рубидий распылили в вакуумной камере и охладили до 100 нанокельвинов. Облака из атомов рубидия пришли в экзотическое агрегатное состояние — конденсат Бозе — Эйнштейна. В этом состоянии свойствами атомов легко манипулировать. При помощи лазерного импульса была создана ридберговская молекула, ученые обстреляли ее пучками лазера и впервые увидели, как электроны атомов вращаются вокруг ядер по орбитам, по форме напоминающим крылья бабочки. Также исследователи измерили силу, с которой атомы Ридберга сцепляются друг с другом через электрон.
Ридберговская молекула и ее проекция, напоминающая крылья бабочки. Иллюстрация: Nature Communications, 2016.
У молекулы-бабочки множество необычных свойств. Например, она обладает дипольным моментом (есть зоны с частично положительными и отрицательными зарядами), несмотря на то что состоит из двух одинаковых атомов. Это позволяет легко двигать ею в слабых электрических полях. Результаты опыта немецких ученых могут ускорить разработку квантовых компьютеров и молекулярных машин — устройств, способных манипулировать одиночными атомами и молекулами. Атомы Ридберга давно рассматриваются физиками в качестве базы для кубитов — элементарных ячеек для хранения информации в вычислительных машинах. Однако ученые до последнего времени испытывали сложности при попытках манипулировать ридберговскими атомами. Использование молекул-бабочек поможет решить эту проблему.
Крис Грин. Фото: purdue.edu.
Профессор физики и астрономии Университета Пердью Крис Грин, который стоял у истоков теории ридберговских молекул, ответил на несколько вопросов газеты «Страна Росатом».
— Сколько времени вы готовились поймать молекулу-бабочку?
— Существование таких молекул предсказали в 2002 году. В Journal of Physics с небольшим перерывом вышли две статьи об этом. Одну опубликовала группа ученых — выходцев из СССР, работавших в США: Илья Фабрикант, Геннадий Чибисов и Амиран Хускивадзе. Вторую написал я в соавторстве с Эдвардом Гамильтоном и Хоссейном Садегпуром. После было еще несколько теоретических предсказаний. И вот наконец опыт, который помог изучить «бабочку» во всех квантово-механических деталях. Я работал над теоретической стороной открытия.
— Что значит для науки это открытие?
— Это подтверждение представлений о молекулах-бабочках. Эксперимент помог узнать многое о квантово-механическом поведении этих интригующих молекул, которое трудно понять, пользуясь современными стандартными квантово-химическими методами и компьютерными программами. Нам открывается путь к созданию необычных молекул, которыми можно манипулировать, используя сильное взаимодействие со слабыми полями.
— Что вы с коллегами делаете в этом направлении теперь?
— Продолжаем изучать этот феномен. Предстоит подтвердить наши результаты множеством других независимых экспериментов.
Свежие комментарии