Атомы Ридберга — атомы с сильно возбужденным электроном — могут образовывать необычные типы молекулярных связей. Эти связи отличаются от известных ионных и ковалентных связей не только своими механизмами связывания, но и длинами связей, достигающими нескольких микрометров. С помощью ионного микроскопа физики Штутгартского университета наблюдали новый тип молекулярной связи между ионом и ридберговским атомом.
«Когда отдельные частицы, такие как атомы и ионы, соединяются, возникают молекулы», — говорят ученые. «Такие связи между частицами могут возникать, если они имеют, например, противоположные электрические заряды и, следовательно, притягиваются друг к другу».
«Молекула, которую наблюдала наша команда, имеет особенность: она состоит из положительно электрически заряженного иона и нейтрального атома в так называемом ридберговском состоянии».
Поскольку заряд иона очень специфическим образом деформирует ридберговский атом, возникает связь между двумя частицами.
Для изучения своей молекулы ридберговского атома-иона авторы подготовили ультрахолодное облако рубидия и охладили его почти до абсолютного нуля.
Только при этих низких температурах сила между частицами достаточно сильна, чтобы сформировать молекулу.
В этих ультрахолодных атомных ансамблях ионизация отдельных атомов лазерными полями подготавливает первый строительный блок молекулы — ион.
Дополнительные лазерные лучи переводят второй атом в ридберговское состояние. Электрическое поле иона деформирует этот гигантский атом.
«Интересно, что деформация может быть притягивающей или отталкивающей в зависимости от расстояния между двумя частицами, позволяя партнерам по связыванию колебаться вокруг равновесного расстояния и вызывая молекулярную связь» — объяснили исследователи.
«Расстояние между партнерами необычно велико и составляет примерно одну десятую толщины человеческого волоса».
Используя ионный микроскоп высокого разрешения, физики измерили колебательный спектр и пространственно разрешили длину связи и ориентацию молекулы ридберговского атома-иона.
«Мы могли бы изобразить свободно плавающую молекулу и ее составляющие с помощью этого микроскопа и непосредственно наблюдать и изучать выравнивание этой молекулы», — говорят они.
«Из-за своего гигантского размера и слабого связывания молекулы динамические процессы протекают медленнее по сравнению с обычными молекулами».
«Мы надеемся получить новые и более подробные знания о внутренней структуре молекулы».
Работа команды была опубликована в журнале Nature.