科学家首次观测到蝴蝶型里德堡分子

原子之间靠化学键结合，这是我们高中时就学过的化学常识，而化学键的长度一般都很短只有0.1纳米量级，然而有一种特殊的分子，它的化学键长度可以达到数百纳米甚至以上，这就是神奇的里德堡分子。

当一个原子中的电子被激发到非常高的能级，而其能量又不足以摆脱原子核的束缚时，这样的原子就被称之为里德堡原子，其具有较之普通原子更为巨大的电子云分布；此时当另一个处于基态的原子通过这种加长型的电子云相互作用结合到这个里德堡原子上后，就形成了一个具有“超长”化学键的里德堡分子。

普渡大学物理与天文学教授克里斯·格林尼是最早提出里德堡分子这一概念的人之一，“正常原子中的电子总是离核0.1到0.2纳米，但对于里德堡原子，它们之间的距离是原来的100甚至1000倍”格林尼说道，里德堡分子中的电子就像一只小小的牧羊犬，将两个相隔很远的原子牢牢地“栓”在一起。

“这是一种和传统的化学键不同的成键方式，里德堡分子中的原子看起来就像是被另一个原子中的电子给‘抓住’了。”

 在2002年，格林尼等人就曾在理论上预言存在一种电子云排布成“蝴蝶型”的里德堡分子，而近日，格林尼和他的博士后·佩雷斯·里奥斯终于通过“光缔合(Photoassociation)”的方法创造出了这种里德堡分子，不仅如此，他们在研究中还对这一双原子分子的键长和取向进行了人为的调控，这一研究成果发表在《自然·通讯》杂志上。

他们的工作分为理论计算和实验两部分，在理论上，根据超长程里德堡分子的结构特性并结合微扰理论，他们通过计算建立起了里德堡分子的势能面，精确描述了基态原子与里德堡原子间的相互作用势，这一工作使得他们后续制作键长和取向可调的里德堡分子成为可能。

实验过程也并不简单，研究人员在这里用到了一种叫做“光缔合”的方法，这是在超冷原子研究中一种常用的方法。他们先将铷气体冷却至100nK（只比绝对零度高百万分之一度），然后使用激光将铷原子中的电子激发到超高的能级，这就完成了第一步——构造一个里德伯原子。接下来要做的便是调整激光频率，使得这个被激发的里德堡原子能够刚好捕获处在合适位置上的另一个原子，这一步就需要之前大量理论计算所提供的数据支持。

除了键长和取向之外，通过监测光缔合过程中里德堡分子吸收光的频率变化研究人员还能得出该分子的结合能。

“我们的工作足以证明蝴蝶型里德堡分子是真实存在的，它验证了我们之前关于这种新分子的一些想法和理论预测。”格林尼高兴地说道。

那么里德堡分子能给我们带来什么呢？作为一种不寻常的激发态分子，里德堡分子具有电偶极矩大、能量间隔小、寿命长、易受外场操控等很多独特的性质，这里面也蕴含着巨大的研究价值。例如它极大的电偶极矩只需一个弱电场就可以轻易地操纵，这大约要比操控常见的双原子分子所需的电场小100倍，这一不凡的特性使其在分子级电子器件领域潜力无限。

最后，这项工作的主要作者格林尼表示将继续对里德堡原子的研究，下一步计划将会是尝试多原子结合的重里德堡分子。

参考：

http://www.nature.com/articles/ncomms12820

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-11/pu-wab110116.php

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