
Физики из Швейцарского федерального технологического
института создали молекулу из двух атомов цезия, межатомное расстояние в
которой составляет около одного микрометра. Это в тысячи раз больше чем длины
связи в привычных молекулах воды. Атомы при этом находятся в так называемых ридберговских
состояниях. Время жизни частиц оценивается в десятки микросекунд. Исследование опубликовано
в журнале Physical Review Letters, кратко
о нем сообщает Physics. 
В зависимости от того, какой энергией обладает электрон, он
может находиться на одной из бесконечного, но строго определенного набора
орбиталей атома. Чем больше эта энергия, тем дальше оказывается электрон от
ядра, а при превышении некоторой критической величины частица и вовсе покидает атом,
происходит ионизация. 
Орбитали в атоме можно пронумеровать с помощью главного
квантового числа (n). К
примеру, в обыкновенном невозбужденном атоме водорода электрон будет
располагаться на орбитали с n=1.
Поглотив фотон с определенной энергией (соответствующей длине волны 121,6
нанометра) электрон может перейти на орбиталь с n=2. Следующий переход на n=3 потребует гораздо меньшую
энергию (фотон с длиной волны 656,3 нанометра) и так далее. Точно такую же
нумерацию можно ввести и в более сложных атомах.
Как правило, возбужденные состояния живут недолго — переход
между первым возбужденным и основным состояниями происходит за наносекунды.
Однако с ростом номера орбитали, на которой находится электрон, время жизни
начинает расти, достигая долей миллисекунд или даже секунд (при n ≈
1000). Таким орбиталям соответствуют огромные, по сравнению с обычными атомами,
радиусы — вплоть до долей миллиметра. Эти экзотические состояния получили
название ридберговских атомов. 
Ранние расчеты физиков показали, что ридберговские атомы
могут объединяться в молекулы с характерными длинами связей сопоставимыми с
радиусом самих атомов. Хотя это предсказание уже было экспериментально
подтверждено, авторы новой работы отметили, что в вычислениях были сделаны
существенные допущения. Целью исследования было поднять точность моделирования
и сравнить его с реальными данными.
В эксперименте физики создавали молекулы, состоящие из двух ридберговских
атомов цезия. Электроны в них находились соответственно на 43 и 44 возбужденных
уровнях. На первом этапе ученые получали холодный газ из атомов цезия —
характерные расстояния между атомами составляли порядка одного микрометра.
Затем небольшую долю атомов возбуждали с помощью лазерного импульса на 44
возбужденный уровень. После этого облако освещали с помощью второго лазера. Энергия
его фотонов была меньше, чем требуется для возбуждения на 43 уровень. Разность
энергий в точности соответствовала тому количеству энергии, которая выделилась
бы при образовании молекулы из атомов — эта величина была получена из новых
расчетов. 
Подтвердить рождение ридберговских молекул физикам удалось
по характерным следам распада димеров: когда один из атомов переходит на менее
возбужденное состояние, он излучает энергию, которую может поглотить второй
атом. Это приводит к ионизации последнего, что и фиксировали ученые. 
Как рассказывают авторы, по данным уточненной модели многие
ридберговские молекулы, предсказанные ранее, на самом деле не могут
существовать. 
Системы, подобные изученной авторами, могут найти
применение в  квантовых компьютерах,
играя роль логических вентилей. Кубитами при этом будут состояния ридберговских
атомов. Отсутствие внутри димеров притяжения и отталкивания, обеспечит высокую
точность производимых операций.
Кроме того, ридберговские атомы интересны и с
фундаментальной точки зрения. Например, с их помощью физики создали молекулу с
рекордным дипольным моментом — в тысячи раз более полярную, чем молекула воды.
Один из атомов при этом находился в ридберговском состоянии, а другой — в
обычном. 
Владимир Королёв
