实验室首次创造出奇怪的巨大三叶虫形状分子

这些分子不仅具有像古代海怪一样的形状，而且它们的尾巴上还带有破纪录的电荷。

右边的三叶虫，以及里德伯铷分子中电子位置概率产生的干涉图样

图片来源：AG Ott（左）：CC 许可证（右）

物理学家使用激光将原子冷却到接近绝对零，已经产生了一个大到几乎不可能的电子轨道。通过在这个巨人体内放置一个传统的原子，他们产生了一种奇怪的形状，让人想起化石三叶虫，这是曾经主宰海洋的节肢动物。

除了能演奏 Tom Lehrer 的元素之歌的人之外，铷元素鲜为人知。然而，它在寻求研究接近绝对零的世界的科学家中非常受欢迎，因为铷原子特别适合激光冷却到非常低的温度。 

凯泽斯劳滕-兰道大学的赫维格·奥特教授及其同事将铷云冷却至绝对零以上的万分之一度。与其他一些达到万亿分之一度温度的国家相比，这确实是令人高兴的。然而，这足以允许进一步的激光旋转使原子处于里德伯态，其中最外层的电子轨道扩展至约一微米的半径。奥特在一份声明中指出，这使得“电子云比小细菌还要大。”随着电子与原子核的分离，原子变得高度化学反应。

尽管看起来不太可能，这么大的原子内部可能有另一个普通大小的原子，位于里德伯原子核和外层电子的典型位置之间。反过来，这允许形成一种比您在高中可能学到的共价键和离子键或仍然传统的金属键或偶极键更奇特的键合形式。

“想象一下电子围绕原子核快速旋转。在每次往返中，它都会与基态原子碰撞。与我们的直觉相反，量子力学告诉我们，这些碰撞会导致电子和基态原子之间产生有效的吸引力，”第一作者 Max Althön 解释道。

这种类型的交互在这项工作之前就已为人所知，但这已经足够清楚地揭示了它足以测量以前模糊的方面。作为原子表达波粒二象性条件下的量子现象，大半径电子和基态原子的相互作用是统计的。它们产生干涉图案，就像著名的两缝实验中的那样。

根据条件的不同，干涉图案最终看起来像蝴蝶或三叶虫，而该团队创造的是后者。其他人尝试使用一个和两个光子激发来产生这些图像，在后一种情况下取得了部分成功。在这里，该团队展示了三光子激发将铷基态与激发态耦合的能力。

电子对这些三叶虫分子中基态原子的吸引力是如此之强，以至于可能成为浪漫喜剧的主题。相反，我们得到一个电偶极子，其中三叶虫的“尾巴”（里德伯原子的核心所在的位置）非常正。基态原子位于头部，而电子概率分布在头部和腿部，因此带负电。 

电荷间隔越远，偶极矩越大，作者报告该偶极矩为 1,700 德拜。作为比较，溴化钾（用作具有非常大偶极矩的离子分子的示例）的德拜值为 10.4，不到 1%。

大的偶极矩使分子易于使用外部电场控制。这些分子有可能用于信息处理，因为这些场可以改变它们的状态。更直接的是，它允许科学家以其他分子无法实现的方式探索它们的特性。 

该作品在《自然》杂志上公开发表。