Новая химическая связь

Возбуждение атома переводит его электроны на более высокие уровни. Если оно очень сильное, то на порядки возрастает и размер такого атома. Эти так называемые ридберговские атомы могут образовывать необычные связи, вступая во взаимодействие с другими атомами и ионами. Такие связи сильно отличаются от хорошо известных химикам ионных и ковалентных, в частности — их длиной.

Недавно исследователи Пятого физического института при Штутгартском университете под руководством доктора Тильмана Пфау (Tilman Pfau) обнаружили новую молекулу, образованную гигантским ридберговским атомом и маленьким ионом. Им удалось получить изображение этой молекулы на ионном микроскопе, специально построенном для этой цели. Молекула состоит из положительно заряженного иона и нейтрального атома, в тысячу раз крупнее обычного атома.

Связь образуется, когда заряд иона начинает деформировать атом и превращает его в диполь. Это происходит в ультрахолодном облаке рубидия под воздействием лазера, ионизирующего часть атомов, и другого лазера, который возбуждает атомы рубидия и переводит их в ридберговские состояния. Энергия теплового движения некоторое время не разрушает эту слабую молекулярную связь лишь около абсолютного нуля температуры. Деформация атома ионом на малых расстояниях приводит к отталкиванию, на больших — к притяжению. Это и означает образование молекулы, в которой партнеры по связи осциллируют у своих положений равновесия. Оптики измерили колебательный спектр и размеры этого нового молекулярного иона.

В будущем с помощью своего микроскопа ученые планируют изучить динамические процессы, происходящие в новой необычной молекуле. Их характерные времена больше, чем у обычных молекул, из-за больших размеров и слабой химической связи. С научной точки зрения работа открывает новую область интересной физики за пределами так называемого квантово-механического приближения Борна—Оппенгеймера. (Nature, 605, 7910, 453, 2022)