Американські фізики придумали спосіб, за допомогою якого можна змінити форму хмари електронної щільності ридбергівського атома, зробивши його схожим на копалину членистоноге - трилобіта. Така форма практично збігається з формою хмари, що виникає при хімічному зв'язку між ридбергівським і неприпустимим атомами - тільки на місці невіднятого атома знаходиться порожнє місце, «привид». Запропонований спосіб вчені перевірили за допомогою чисельного моделювання. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
У більшості речовин атоми пов'язані хімічним зв'язком, який визначається взаємодією між ядрами і електронами. Грубо кажучи, зв'язок між двома атомами утворюється, коли вони обмінюються електронами і формують загальну електронну хмару. Щоб зрозуміти, чому це відбувається, уявіть собі два човни, пасажири яких перекидають один одному гумовий м'ячик. При кожному кидку човна трохи видаляються - отже, між човнами виникає «ефективна» сила відштовхування, хоча безпосередньо вони взаємодіяти не можуть. Хімічний зв'язок працює майже таким же чином: в ній атоми-човни перекидаються електроном-м'ячиком, тільки через закони квантової механіки «ефективна» сила не відштовхує, а притягує частинки. Правда, іноді взаємодія між атомами ускладнюється, і доводиться вдаватися до більш складних аналогій - наприклад, у разі металевого зв'язку. Більш детально про природу хімічних зв'язків можна прочитати в статті «Хімічні зв'язки» або послухати в розповіді хіміка Артема Оганова.
На початку 2000-х років фізики-теоретики виявили, що в певних умовах хімічний зв'язок між двома атомами рідкоземельних елементів (цезія, рубідія і стронція) витягується і спотворюється так сильно, що їх загальна електронна хмара приймає форму метелика або трилобіту (членистоногі, які вимерли близько 150 мільйонів років тому). Щоб такий зв'язок утворився, один з атомів повинен бути дуже сильно збуджений, тобто його зовнішній електрон, найслабше пов'язаний з ядром, повинен перебувати на рівні з великим головним квантовим числом (ауд 100-1000). Такі збуджені атоми називають ридбергівськими. Другий атом при цьому повинен перебувати в основному стані. Передбачається, що загальна електронна хмара приймає таку дивну форму через гібридизацію електронних оболонок з великим значенням орбітального квантового числа. Перші «молекули-трилобіти», що складаються з атомів цезію, експериментально отримали всього три роки тому, в квітні 2015 року.
Група вчених під керівництвом Метью Ейлза (Matthew Eiles) теоретично показала, що «хімічний зв'язок-трилобіт» можна створити і без допомоги другого атома - досить прикласти до ридбергівського атома акуратно підібрану послідовність імпульсів електричного і магнітного поля. В результаті електронна хмара приймає таку ж форму, як і при «справжньому» хімічному зв'язку, однак на місці другого атома нічого немає - виходить, ніби ридбергівський атом пов'язаний з порожнім місцем, «привидом». Щоб довести це твердження, дослідники чисельно розрахували, як хмара електронної щільності змінюється під дією заданої послідовності імпульсів. Для спрощення розрахунків і зменшення їх похибки фізики обмежували максимальну напруженість магнітного та електричного поля 100 гауссами і 0,1 вольта на сантиметр відповідно. При кожному новому розрахунку вчені випадково вибирали крок інтегрування за часом з діапазону 20-60 наносекунд.
Щоб створити «примарний» хімічний зв'язок, вчені пропонують прикладати до ридбергівського атома наступну послідовність імпульсів. На першому кроці атом поміщається в лінійно наростаюче з часом магнітне поле, в результаті чого переходить в квадратичний зеемановское стан. Потім до атома прикладається складна послідовність коротких імпульсів електричного поля, яка змінює форму орбіталів, що відповідають різним виродженим станам. Ці статки мають однакове головне квантове число (тобто однакову енергію), але різні значення орбітального числа. Завдяки величині числа ауд 100 ступінь виродження станів дуже великий, тому хмари вдається надати потрібну форму, що віддалено нагадує трилобіта. Всього для надання заданої форми потрібно близько ауд 2 імпульсів (у цій роботі вчені вважали, що = 70, = 130). Нарешті, на останньому кроці магнітне поле лінійно вимикається, і електронна хмара приймає остаточну форму, що відповідає «хімічному зв'язку-трилобіту». Характерний час включення і вимикання магнітного поля становить кілька десятків мікросекунд, а характерна тривалість одного електричного імпульсу - кілька десятків наносекунд. Характерний час життя «примарного зв'язку» при цьому становив понад 200 мікросекунд, а при зниженні температури сягав декількох мілісекунд.
Потім фізики оцінили за допомогою функції «схожості» (fidelity), як сильно збігається отриманий розподіл електронної щільності з розподілом для «хімічного зв'язку-трилобіту». Щоб розрахувати цю функцію, потрібно розкласти обидва розподілі по хвильових функціях електрона в ридбергівському атомі, як по векторах, а потім вирахувати квадрат скалярного твору між побудованими векторами. Чим менше отримане число відрізняється від одиниці, тим сильніше схожі розподілу. Практично всі послідовності імпульсів, які розглядали вчені, призводили до значення > 0,999.
Крім того, дослідники запропонували два способи, за допомогою якого передбачений ефект можна виявити на практиці. Перший спосіб - це електронно-імпульсна спектроскопія, в ході якої рідбергівський атом просвічується електронами. В результаті слабо пов'язаний електрон зовнішньої орбіталі відривається від атома, а траєкторія «пробного» електрона спотворюється; вимірюючи імпульси обох частинок і усереднюючи за великим числом дослідів, можна наближено відновити розподіл електронної щільності. Другий спосіб - це рентгенівська спектроскопія, при якій аналогічну роль відіграють фотони рентгенівських променів. За оцінками вчених, точності обох способів достатньо, щоб підтвердити освіту «зв'язку-трилобіту» з «примарним» атомом.
Автори статті зазначають, що освіта «примарного зв'язку» природним чином малоймовірна, хоча і може вплинути на швидкість деяких хімічних реакцій. Крім того, вчені припускають, що запропонований ними спосіб маніпуляцій з електронною хмарою дозволить створити більш складні структури - наприклад, ланцюжки пов'язаних «примарних» атомів або «електронні решітки».
Вчені часто експериментують з хімічними зв'язками, сподіваючись отримати речовини з незвичайними властивостями або поліпшити існуючі технологічні процеси. Наприклад, у січні 2016 року хіміки з Університету Мічигану вперше синтезували комплекс, в якому центральний атом одночасно утворює одинарний, подвійний і потрійний зв'язки з сусідніми атомами. У серпні 2016 року швейцарські дослідники створили молекулу, в якій атоми цезію були віддалені на відстань близько одного мікрометра, а форма загальної електронної хмари нагадувала трилобіта. У жовтні 2017 року вчені з України та Німеччини «розтягнули» зв'язок між молекулами вуглецю на рекордний стан близько 0,163 нанометрів. А в березні 2016 року хіміки з Іспанії та Австралії прискорили хімічну реакцію за допомогою електричного поля, змусивши перегрупуватися електронні хмари молекул вихідних речовин.