Физики поймали бабочку размером с нить ДНК. Она сделана из одного электрона и двух атомов
NewsMakerЕё ждали почти 20 лет. И наконец-то дождались.
Физикам наконец удалось получить молекулу, которую теоретики искали почти 20 лет. Она настолько необычна, что больше похожа на иллюстрацию из квантовой механики , чем на привычную химическую частицу: 1 атом в ней связан с другим через электрон, ушедший очень далеко от собственного ядра. Из-за формы электронного облака такую структуру называют молекулой-бабочкой.
О создании и обнаружении этой молекулы сообщила группа Хервига Отта из Рейнланд-Пфальцского технического университета Кайзерслаутерн-Ландау в Германии. И рзультат этот имеет огромное значение для науки, так как закрывает долгий поиск последнего представителя небольшого семейства экзотических молекул, которое неофициально называют "квантовым зоопарком".
Молекула-бабочка относится к ультрадлинным ридберговским молекулам. Такие структуры возникают, когда обычный атом связывается с ридберговским атомом. Ридберговским называют атом, у которого внешний электрон получил много энергии и перешёл на очень далёкую орбиту. В результате атом раздувается до размеров, в тысячи раз превышающих обычные.
В привычной молекуле атомы держатся рядом за счёт общих электронов или электростатического притяжения. В ультрадлинной ридберговской молекуле картина гораздо страннее: внешний электрон находится так далеко от ядра, что внутри его огромной орбиты может оказаться другой атом. Между ними возникает слабая квантовая связь, а форма молекулы определяется тем, как распределено электронное облако.
Именно форма электронного облака дала этим молекулам их прозвища. У одних структура напоминает многолопастного трилобита, древнее морское животное с сегментированным панцирем. У других облако растягивается в контур с 2 крыльями, похожими на бабочку. Названия звучат слегка шуточно, но за ними стоят вполне строгие расчёты: речь идёт о распределении вероятности, с которой электрон можно обнаружить в разных областях пространства.
Ультрадлинные ридберговские молекулы интересны не только своей формой. Они в тысячи раз чувствительнее к электрическим полям, чем обычные молекулы. Благодаря этому физики могут использовать их как очень тонкие зонды для изучения квантовых эффектов . Малое внешнее воздействие заметно меняет состояние такой системы, и по этим изменениям можно проверять теоретические модели.
Молекула-бабочка долго оставалась самым трудным членом семейства. Главная причина связана со спином. В упрощённом виде спин можно представить как внутреннее квантовое свойство частицы, похожее на собственный момент вращения, хотя буквально частица не крутится как шарик. Для нужной молекулы требовалось синглетное спиновое состояние, при котором спины складываются в ноль. Такая конфигурация даёт гораздо более слабую связь, чем триплетные состояния, которые уже удавалось получать в прошлых экспериментах.
Команда Отта начала с атомов рубидия. Их охладили почти до абсолютного нуля, всего до нескольких миллионных долей градуса выше этой границы. Абсолютный ноль соответствует состоянию, при котором тепловое движение частиц минимально. Чтобы приблизиться к нему, физики использовали лазеры и электромагнитные ловушки: атомы замедляли, удерживали и подготавливали так, чтобы тепловой шум не разрушал хрупкую молекулу.
Затем исследователи применили тщательно настроенную последовательность из 3 лазерных импульсов. Эти импульсы переводили часть атомов в ридберговские состояния, выталкивая их внешние электроны на огромные по атомным меркам расстояния. Найти правильную частоту лазеров тоже оказалось задачей не из легких. Команде пришлось несколько недель тонко менять параметры, прежде чем нужные молекулы наконец появились.
Размер полученной молекулы - около 25 нанометров. Для химии это огромная величина: такая частица шире нити ДНК. При этом связь внутри молекулы остаётся слабой и полностью квантовой по природе. Обычная школьная картинка с шариками-атомами и палочками-связями здесь уже не помогает: форму задаёт не жёсткий каркас, а распределение удалённого электрона.
Самое важное для физиков заключалось в совпадении с теорией. Измеренная форма электронного облака действительно напоминала крылья бабочки и соответствовала расчётам. Команда также проверила энергии связи, чувствительность молекул к электрическим полям и время жизни до распада. Все эти параметры легли в теоретическую картину, которую разрабатывали задолго до эксперимента .
И да, полученная молекула закрывает один вопрос, но открывает другой. Физики рассматривают её как возможный шаг к созданию ультрахолодных анионов. Анионы - это отрицательно заряженные атомы или молекулы, у которых есть лишний электрон. Охладить их до температур, близких к абсолютному нулю, очень трудно: обычные методы лазерного охлаждения для таких частиц работают плохо или не работают вовсе.
Если лаборатории научатся получать ультрахолодные анионы через подобные ридберговские системы, появится новый инструмент для точных экспериментов. Такие частицы можно будет использовать для проверки фундаментальных физических законов, изучения слабых взаимодействий и исследований , связанных с антиматерией. Поэтому молекула-бабочка важна не как красивая диковина из квантового зоопарка, а как новая ступень к экспериментам, которые раньше оставались почти недоступными.
Физикам наконец удалось получить молекулу, которую теоретики искали почти 20 лет. Она настолько необычна, что больше похожа на иллюстрацию из квантовой механики , чем на привычную химическую частицу: 1 атом в ней связан с другим через электрон, ушедший очень далеко от собственного ядра. Из-за формы электронного облака такую структуру называют молекулой-бабочкой.
О создании и обнаружении этой молекулы сообщила группа Хервига Отта из Рейнланд-Пфальцского технического университета Кайзерслаутерн-Ландау в Германии. И рзультат этот имеет огромное значение для науки, так как закрывает долгий поиск последнего представителя небольшого семейства экзотических молекул, которое неофициально называют "квантовым зоопарком".
Молекула-бабочка относится к ультрадлинным ридберговским молекулам. Такие структуры возникают, когда обычный атом связывается с ридберговским атомом. Ридберговским называют атом, у которого внешний электрон получил много энергии и перешёл на очень далёкую орбиту. В результате атом раздувается до размеров, в тысячи раз превышающих обычные.
В привычной молекуле атомы держатся рядом за счёт общих электронов или электростатического притяжения. В ультрадлинной ридберговской молекуле картина гораздо страннее: внешний электрон находится так далеко от ядра, что внутри его огромной орбиты может оказаться другой атом. Между ними возникает слабая квантовая связь, а форма молекулы определяется тем, как распределено электронное облако.
Именно форма электронного облака дала этим молекулам их прозвища. У одних структура напоминает многолопастного трилобита, древнее морское животное с сегментированным панцирем. У других облако растягивается в контур с 2 крыльями, похожими на бабочку. Названия звучат слегка шуточно, но за ними стоят вполне строгие расчёты: речь идёт о распределении вероятности, с которой электрон можно обнаружить в разных областях пространства.
Ультрадлинные ридберговские молекулы интересны не только своей формой. Они в тысячи раз чувствительнее к электрическим полям, чем обычные молекулы. Благодаря этому физики могут использовать их как очень тонкие зонды для изучения квантовых эффектов . Малое внешнее воздействие заметно меняет состояние такой системы, и по этим изменениям можно проверять теоретические модели.
Молекула-бабочка долго оставалась самым трудным членом семейства. Главная причина связана со спином. В упрощённом виде спин можно представить как внутреннее квантовое свойство частицы, похожее на собственный момент вращения, хотя буквально частица не крутится как шарик. Для нужной молекулы требовалось синглетное спиновое состояние, при котором спины складываются в ноль. Такая конфигурация даёт гораздо более слабую связь, чем триплетные состояния, которые уже удавалось получать в прошлых экспериментах.
Команда Отта начала с атомов рубидия. Их охладили почти до абсолютного нуля, всего до нескольких миллионных долей градуса выше этой границы. Абсолютный ноль соответствует состоянию, при котором тепловое движение частиц минимально. Чтобы приблизиться к нему, физики использовали лазеры и электромагнитные ловушки: атомы замедляли, удерживали и подготавливали так, чтобы тепловой шум не разрушал хрупкую молекулу.
Затем исследователи применили тщательно настроенную последовательность из 3 лазерных импульсов. Эти импульсы переводили часть атомов в ридберговские состояния, выталкивая их внешние электроны на огромные по атомным меркам расстояния. Найти правильную частоту лазеров тоже оказалось задачей не из легких. Команде пришлось несколько недель тонко менять параметры, прежде чем нужные молекулы наконец появились.
Размер полученной молекулы - около 25 нанометров. Для химии это огромная величина: такая частица шире нити ДНК. При этом связь внутри молекулы остаётся слабой и полностью квантовой по природе. Обычная школьная картинка с шариками-атомами и палочками-связями здесь уже не помогает: форму задаёт не жёсткий каркас, а распределение удалённого электрона.
Самое важное для физиков заключалось в совпадении с теорией. Измеренная форма электронного облака действительно напоминала крылья бабочки и соответствовала расчётам. Команда также проверила энергии связи, чувствительность молекул к электрическим полям и время жизни до распада. Все эти параметры легли в теоретическую картину, которую разрабатывали задолго до эксперимента .
И да, полученная молекула закрывает один вопрос, но открывает другой. Физики рассматривают её как возможный шаг к созданию ультрахолодных анионов. Анионы - это отрицательно заряженные атомы или молекулы, у которых есть лишний электрон. Охладить их до температур, близких к абсолютному нулю, очень трудно: обычные методы лазерного охлаждения для таких частиц работают плохо или не работают вовсе.
Если лаборатории научатся получать ультрахолодные анионы через подобные ридберговские системы, появится новый инструмент для точных экспериментов. Такие частицы можно будет использовать для проверки фундаментальных физических законов, изучения слабых взаимодействий и исследований , связанных с антиматерией. Поэтому молекула-бабочка важна не как красивая диковина из квантового зоопарка, а как новая ступень к экспериментам, которые раньше оставались почти недоступными.