科學家首次觀測到蝴蝶型里德堡分子
原子之間靠化學鍵結合，這是我們高中時就學過的化學常識，而化學鍵的長度一般都很短只有0.1納米量級，然而有一種特殊的分子，它的化學鍵長度可以達到數百納米甚至以上，這就是神奇的里德堡分子。
當一個原子中的電子被激發到非常高的能級，而其能量又不足以擺脫原子核的束縛時，這樣的原子就被稱之為里德堡原子，其具有較之普通原子更為巨大的電子云分布；此時當另一個處於基態的原子通過這種加長型的電子云相互作用結合到這個裡德堡原子上後，就形成了一個具有「超長」化學鍵的里德堡分子。
普渡大學物理與天文學教授克里斯·格林尼是最早提出里德堡分子這一概念的人之一，「正常原子中的電子總是離核0.1到0.2納米，但對於里德堡原子，它們之間的距離是原來的100甚至1000倍」格林尼說道，里德堡分子中的電子就像一隻小小的牧羊犬，將兩個相隔很遠的原子牢牢地「栓」在一起。
「這是一種和傳統的化學鍵不同的成鍵方式，里德堡分子中的原子看起來就像是被另一個原子中的電子給『抓住』了。」
在2002年，格林尼等人就曾在理論上預言存在一種電子云排布成「蝴蝶型」的里德堡分子，而近日，格林尼和他的博士後耶穌·佩雷斯·里奧斯終於通過「光締合(Photoassociation)」的方法創造出了這種里德堡分子，不僅如此，他們在研究中還對這一雙原子分子的鍵長和取向進行了人為的調控，這一研究成果發表在《自然·通訊》雜誌上。
他們的工作分為理論計算和實驗兩部分，在理論上，根據超長程里德堡分子的結構特性並結合微擾理論，他們通過計算建立起了里德堡分子的勢能面，精確描述了基態原子與里德堡原子間的相互作用勢，這一工作使得他們後續製作鍵長和取向可調的里德堡分子成為可能。
實驗過程也並不簡單，研究人員在這裡用到了一種叫做「光締合」的方法，這是在超冷原子研究中一種常用的方法。他們先將銣氣體冷卻至100nK（只比絕對零度高百萬分之一度），然後使用激光將銣原子中的電子激發到超高的能級，這就完成了第一步——構造一個里德伯原子。接下來要做的便是調整激光頻率，使得這個被激發的里德堡原子能夠剛好捕獲處在合適位置上的另一個原子，這一步就需要之前大量理論計算所提供的數據支持。
除了鍵長和取向之外，通過監測光締合過程中里德堡分子吸收光的頻率變化研究人員還能得出該分子的結合能。
「我們的工作足以證明蝴蝶型里德堡分子是真實存在的，它驗證了我們之前關於這種新分子的一些想法和理論預測。」格林尼高興地說道。
那麼里德堡分子能給我們帶來什麼呢？作為一種不尋常的激發態分子，里德堡分子具有電偶極矩大、能量間隔小、壽命長、易受外場操控等很多獨特的性質，這裡面也蘊含著巨大的研究價值。例如它極大的電偶極矩只需一個弱電場就可以輕易地操縱，這大約要比操控常見的雙原子分子所需的電場小100倍，這一不凡的特性使其在分子級電子器件領域潛力無限。
最後，這項工作的主要作者格林尼表示將繼續對里德堡原子的研究，下一步計劃將會是嘗試多原子結合的重里德堡分子。
※最新研究發現 地震可能真和挖石油有關
※智能摺紙技術或將引發植入式醫療裝置的革命
※3D列印的腎臟組織，第一次實現像真腎一樣工作
※植物是如何交談的，它們也會哭喊么？
TAG:DeepTech深科技 |