具有高度激发电子的 原子 ,称为Rydberg原子,可以形成不同寻常的分子键。这种键与众所周知的 离子 键和共价键的区别,不仅在于它们的结合机制,而且还在于它们的键长可达几微米。

在此,来自德国斯图加特大学的Tilman Pfau等研究者,观察到一种新型的分子离子,其基于离子电荷键长为几微米 里德堡 原子的翻转诱导偶极子之间的相互作用。相关论文以题为“Observation of a molecular bond between ions and Rydberg atoms”于2022年05月18日发表在Nature上。

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原子和分子气体中的超冷温度,使得一个新的化学分支的形成成为可能,在这个分支中,人们已经观察到了新的原子之间的弱结合机制。例子包括Feshbach分子,Efimov态,少体碰撞复合物和超长距离Rydberg分子。其中,最后一种包括通过高度激发的Rydberg电子和极化基态原子之间的散射形成的Rydberg基态分子,以及由两个Rydberg原子通过范德华相互作用组成的Rydberg大二聚体。这种远距离相互作用和相应的夸张键长(比基态原子的大小高出几个数量级),使光学显微镜和带电 粒子 光学能够进行空间分辨探测。这些检测方案,使得研究Rydberg封锁、Rydberg空间相关性和多体状态,以及检查Rydberg大二聚体等性质成为可能。

随着能够控制浸没在超冷中性原子中的冷离子的实验技术的出现,弱束缚中性分子的研究,可以扩展到分子离子。在此背景下,此文的研究从理论上提出了一种新的Rydberg分子,它由一个离子和一个Rydberg原子组成。这种结合机制是基于里德堡原子的翻转偶极子与离子周围电场的相互作用。

当电子Rydberg态(|e\rangle)被离子的电场Eion极化时(图1a), Rydberg态在能量上发生变化,并形成在波恩-奥本海默近似中描述的相互作用势。在铯和铷的情况下,量子缺陷和高密度的态,导致避免了势曲线之间的交叉。

具体来说,P态形成势阱,在势阱周围偶极子的方向可以翻转,从而形成束缚分子态。这种分子离子的键长,通常可达几微米,在这种大键长下,结合深度可能达到千兆赫级。这些性质允许在超冷气体中控制分子离子的生成和离子光学的直接观察。对于先前描述的大多数非常大的新分子,与普通分子相比,振动 动力学 明显减慢,导致振动频率在兆赫范围内。对于更小的核间距离,使相邻流形交叉和离子与里德堡原子之间的电荷交换成为可能,从理论上研究了锶分子离子态,并提出了电荷动力学的观测方法。此外,在氢中可以观察到一种不同的分子离子,尽管没有量子缺陷存在。

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图1. 分子结合机制及实验序列

为此,研究者报道了对这类分子离子的观测。研究者分析了Rydberg -原子-离子分子的振动谱,这与他们的理论预测非常吻合。此外,研究者还利用离子显微镜对分子的径向范围和角度排列,进行了空间解析。这种排列显示了对用于光结合分子的激光偏振的依赖。此外,研究者利用离子显微镜的空间分辨率进行飞行时间质谱分析,表明激发态是真正的束缚分子态。研究者测量振动谱,并利用高分辨率离子显微镜,在空间上解析了分子的键长和角对准。由于键长较大,分子动力学非常缓慢。这些结果,为分子动力学(例如,超越Born-Oppenheimer物理学)的时空效应的未来研究铺平了道路。

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图2. 束缚振动态的势能曲线和实测谱的计算

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图3. 质谱

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图4. 分子的原位测量

简而言之,研究者用离子显微镜观察到离子和里德堡原子之间的一种新型分子键。测量到的离子分子的振动结构与理论预测非常吻合,并且应该在其他具有类似量子缺陷的原子种类中被观察到。大的空间结构降低了分子的振动和旋转时间尺度。这些奇异的性质与研究者的高分辨率离子检测方案相结合,允许对这些分子进行原位观察,并可能使分子势内的波包动力学的直接空间分辨观察成为可能。

文献信息

Zuber, N., Anasuri, V.S.V., Berngruber, M. et al. Observation of a molecular bond between ions and Rydberg atoms. Nature 605, 453–456 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04577-5

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04577-5