Швейцарские ученые создали огромную молекулу всего из двух атомов цезия. Расстояние между центрами ее атомов приближается к одному микрометру: по меркам мира атомов это очень много. К примеру, расстояние между атомами водорода в молекуле водорода H2 равно 0,7416 ангстрем, а один микрометр — это 10000 Å.
Ученые создали огромную молекулу из двух атомов
График показывает, как распределяется вероятность нахождения электрона в ридберговской молекуле из двух атомов цезия

Атомы в швейцарской молекуле находились в так называемом ридберговском состоянии. Чтобы понять, что это такое, полезно вспомнить то, что мы знаем о месте электрона в атоме.

Вокруг положительно заряженного ядра в атоме существует электрон (или несколько электронов). Вероятность его нахождения в определенной точке пространства вокруг атома определяется функцией, которая описывает орбиталь атома: их много, но их количество известно и не бесконечно. То, какую именно орбиталь занимает электрон в атоме, определяется собственной энергией электрона: чем она выше, тем больше вероятность обнаружить электрон далеко от ядра. Однако если энергия электрона вырастает больше определенного предела, он выходит за пределы действия кулоновского притяжения ядра и покидает атом, создавая на нем положительный заряд и превращая его в ион.

Можно сообщить электрону энергию и заставить электрон перейти на другую орбиталь: тогда состояние атома будет называться «возбужденным». Как правило, электрон скоро возвращается на прежнюю орбиталь с более низкой энергией. Но чем дальше орбиталь находится от ядра, тем стабильнее возбужденное состояние. Если орбитали соответствует порядковый номер n=1000, то в возбужденном состоянии электрон может находиться целые микросекунды и даже десятки микросекунд, а радиус атома с электронами на таких далеких орбиталях будет составлять доли миллиметра. Такие состояния атомов и называются ридберговскими.

Атомы, поделившие между собой свои электроны частично или полностью, называются молекулами. Ридберговские атомы тоже способны делиться электронами и передавать их друг другу, образуя химическую связь. Ученым уже удавались эксперименты с созданием таких молекул; длина химической связи в них была сравнима с радиусом атома, т. е. была необычайно велика (впервые ридберговскую молекулу получили в 2009 году из двух атомов вЕвропе). Новый эксперимент позволили сблизить расчетные и экспериментальные данные. В нем использовались атомы цезия, электроны которых находились на 43 и 44 уровнях. Сначала ученые получали газ из атомарного цезия, затем часть атомов возбуждали лазером, переводя электрон с 43 на 44 уровень, а затем светили другим лазером, с более низкой энергией.

Время жизни частиц оценивается в десятки микросекунд. Исследованиеопубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщаетPhysics. 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. Получение молекул подтвердили по следам их распада.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.