Ловцы бабочек

В Германии проведен уникальный эксперимент, который показал, как два атома связываются друг с другом через один электрон, превращаясь в молекулу-«бабочку». Ученые утверждают: это еще один шаг к созданию квантовых компьюте­ров и молекулярных машин.

Молекулы-«бабочки», или ридберговские молекулы, «изготавливают» из двух ато­мов: обычного и ридберговского — один из электронов его внешней оболочки на­ходится в высоковозбужденном состоя­нии. Соединять их научились еще несколь­ко лет назад, а вот рассмотреть как следует не могли — очень уж нестабильны.

И вот ученые Технического универси­тета Кайзерслаутерна под руководством профессора Хервига Отта поставили экс­перимент при поддержке исследователей из Университета Пердью (США). Рубидий распылили в вакуумной камере и охла­дили до 100 нК. Облака из атомов руби­дия пришли в экзотическое агрегатное состояние — конденсат Бозе — Эйнштей­на. В этом состоянии свойствами атомов легко манипулировать. При помощи ла­зерного импульса была создана ридбер­говская молекула, ученые обстреляли ее пучками лазера и впервые увидели, как электроны атомов вращаются вокруг ядер по орбитам, по форме напоминающим крылья бабочки. Также исследователи из­мерили силу, с которой атомы Ридберга сцепляются друг с другом через электрон.

У молекулы-«бабочки» множество не­обычных свойств. Например, она обла­дает дипольным моментом (есть зоны с частично положительными и отрица­тельными зарядами), несмотря на то, что состоит из двух одинаковых атомов. Это позволяет легко двигать ею в слабых электрических полях. Результаты опы­та немецких ученых могут ускорить раз­работку квантовых компьютеров и моле­кулярных машин — устройств, способных манипулировать одиночными атомами и молекулами. Атомы Ридберга давно рас­сматриваются физиками в качестве базы для кубитов — элементарных ячеек для хранения информации в вычислительных машинах. Однако ученые до последнего времени испытывали сложности при по­пытках манипулировать ридберговскими атомами. Использование молекул-«бабо­чек» поможет решить эту проблему.

Корреспондент газеты «Страна Росатом» задал несколько вопросов профес­сору физики и астрономии Университета Пердью Крису Грину, который стоял у ис­токов теории ридберговских молекул.

— Сколько времени вы готовились пой­мать молекулу-«бабочку»?

— Существование таких молекул пред­сказали в 2002 году. В Journal of Physics с небольшим перерывом вышли две ста­тьи об этом. Одну опубликовала группа ученых — выходцев из СССР, работавших в США: Илья Фабрикант, Геннадий Чиби­сов и Амиран Хускивадзе. Вторую напи­сал я в соавторстве с Эдвардом Гамильто­ном и Хоссейном Садегпуром. После было еще несколько теоретических предсказа­ний. И вот, наконец, опыт, который помог изучить «бабочку» во всех квантово-меха­нических деталях. Я работал над теорети­ческой стороной открытия.

— Что значит для науки это открытие?

— Это подтверждение представлений о молекулах-«бабочках». Эксперимент по­мог узнать многое о квантово-механиче­ском поведении этих интригующих мо­лекул, которое трудно понять, пользуясь современными стандартными квантово-химическими методами и компьютерны­ми программами. Нам открывается путь к созданию необычных молекул, которы­ми можно манипулировать, используя сильное взаимодействие со слабыми по­лями.

— Что вы с коллегами делаете в этом на­правлении теперь?

— Продолжаем изучать этот феномен. Предстоит подтвердить наши результаты множеством других независимых экспе­риментов.

Сотрудник кафедры №70 НИЯУ МИФИ, заведующий лабораторией ОИВТ РАН Борис Зеленер прокомментировал данное открытие, оценил его значимость и рассказал о подобных исследованиях в России.

— В России исследованием взаимодействия ридберговских атомов занимается наш институт и Институт физики полупроводни­ков в Новосибирске. Мы изучаем взаимодействие ридберговских атомов, полученных при помощи магнитооптической ловушки и резонансного двухфотонного возбуждения в атомах лития‑7 при температуре от 10–4 до 10–3 К.

Открытие западных коллег — кра­сивое подтверждение существова­ния подобных молекул и кластеров из высоковозбужденных атомов, а также пространственных струк­тур, подобных решеткам в твердых телах, но с гораздо большей посто­янной решетки — порядка микро­на. Знание о самоорганизующихся структурах из ридберговских атомов позволит создавать не только квантовые компьютеры, но и метаматериалы, а также даст возможность манипулировать атомами антивещества.

Газета «Страна Росатом»