物理学家创造出巨型三叶虫里德伯分子

凯泽斯劳滕 Herwig Ott 教授博士团队的物理学家首次成功直接观察纯三叶虫里德伯分子。特别有趣的是，这些分子具有非常奇特的形状，让人想起三叶虫化石。它们还具有迄今为止已知的任何分子中最大的电偶极矩。

研究人员使用了一种专用设备，能够在超低温下制备这些脆弱的分子。结果揭示了它们的化学结合机制，与所有其他化学键不同。该研究已发表在期刊Nature Communications上。

在他们的实验中，物理学家使用了铷原子云原子，该原子在 中冷却超高真空 至约 100 微开尔文，即高于绝对零度 0.0001 度。随后，他们使用激光将其中一些原子激发到所谓的里德堡态。 “在这个过程中，最外层的电子在每种情况下都被带入原子体周围的遥远轨道，”凯泽斯劳滕-朗道大学研究超冷量子气体和量子原子光学的 Herwig Ott 教授解释道。

“电子的轨道半径可以超过一微米，使得电子云比小细菌还要大。”这种高度激发的原子也在星际空间中形成，并且具有极高的化学反应性。

如果基态原子现在位于这个巨大的里德伯原子内，就会形成一个分子。虽然标准的化学键是共价键、离子键、金属键或偶极键，但三叶虫分子是通过完全不同的机制结合的。

“正是来自基态原子的里德堡电子的量子力学散射将两者粘在一起，”该研究的第一作者 Max Althön 说道。 “想象一下电子围绕原子核快速旋转。在每次往返中，它都会与基态原子碰撞。与我们的直觉相反，量子力学告诉我们，这些碰撞会导致电子和基态原子之间产生有效的吸引力。”

这些分子的特性令人惊叹：由于电子的波动性质，多次碰撞会产生看起来像三叶虫的干涉图案。此外，分子的键长与里德伯轨道一样大——比任何其他双原子分子都大得多。由于电子被基态原子强烈吸引，永久电偶极矩极大：超过 1,700 德拜。

为了观察这些分子，科学家们开发了专用的真空装置。它允许通过激光冷却和随后的分子光谱检测来制备超冷原子。这些结果帮助我们了解基态原子和里德伯原子之间的基本结合机制，这些机制最近已成为量子计算应用的一个有前途的平台。研究人员的发现补充了对里德伯系统的理解，该系统既奇特又有用。