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리드베리Rydberg 원자는 극단적인 원자간 거리와 쌍극자 모멘트를 갖는 이국적인 분자를 형성

물리학자들이 분자형 “삼엽충”을 창조했다.
리드베리Rydberg 원자는 극단적인 원자간 거리와 쌍극자 모멘트를 갖는 이국적인 분자를 형성한다.

이국적인 결합:
물리학자들은 소위 "삼엽충" 분자(삼엽충 껍질과 유사한 간섭 패턴을 생성하는 이국적인 원자 화합물)를 처음으로 직접 관찰했다. 팽창된 Rydberg 원자가 두 번째 원자를 흡수할 때 발생한다. 두 원자는 다른 곳에서는 관찰되지 않은 결합 형태를 통해 연결된다. 연구팀은 특별한 방법을 사용하여 처음으로 이러한 리드버그 분자를 직접 측정하고 이론 모델과 비교하는 데 성공했다. 

▲ 리드베리Rydberg 분자의 스케치. Rydberg 코어(빨간색)를 기준으로 한 Rydberg 전자(파란색)와 바닥 상태 원자(녹색)의 좌표는 검은색 화살표로 표시된다. 관련 스핀은 리드베리 전자 s1, 바닥 상태 원자 s2의 전자, 바닥 상태 원자 I의 핵 스핀이다. b 삼엽충 분자의 스케치. Rydberg 코어와 바닥 상태 원자는 각각 빨간색과 녹색 구체로 (과장된 크기로) 표시된다. 2D로 투영된 전자 확률 밀도는 파란색 점의 밀도로 표시. (출처:관련논문 Published: 07 December 2023 / Exploring the vibrational series of pure trilobite Rydberg molecules)

일반적으로 원자는 원소에 따라 고정된 반경을 갖는다. 원자의 바닥 상태에서는 핵 주위를 공전하는 전자의 궤도에 의해 결정된다. 그러나 초저온 원자에 에너지를 추가하여 특정 방식으로 들뜨게 되면 이국적인 거대 원자가 생성될 수 있다. 이들 리드베리 원자에서 가장 바깥쪽 전자는 원자핵으로부터 극단적인 거리로 이동하여 원자 반경을 1천 배 이상 증가시킨다.

“전자의 궤도 반경은 1마이크로미터 이상이 될 수 있으므로 전자구름은 작은 박테리아보다 더 크다”고 카이저스라우테른-란다우Kaiserslautern-Landau의 Rhineland-Palatinate Technical University의 선임 저자인 헤르빅 오트Herwig Ott는 설명했다.

거대한 원자로 이루어진 분자

그러나 이것이 전부는 아니다. 거대한 Rydberg 원자는 단순히 다른 원자를 흡수함으로써 이국적인 유형의 분자를 형성할 수도 있다. 이는 리드베리 원자의 외부 전자와 "포획된" 원자 사이에 상호 작용을 생성하며, 이를 통해 이 원자는 양자 기계적으로 결합된다. 이는 공유결합, 이온결합 또는 금속결합을 통한 일반적인 화학 결합과 완전히 다른 결합 유형을 갖는 이국적인 분자를 생성한다.

이번 연구의 제1저자인 Ott의 동료인 막스 알트횐Max Althön은 “두 개를 서로 접착시키는 것은 원자에 있는 Rydberg 전자의 양자 역학적 산란이다”고 말했다. 이 상호 작용은 나비나 삼엽충의 분할된 껍질과 유사한 간섭 패턴을 생성한다. 이러한 삼엽충 분자는 원자 사이의 근본적인 상호 작용을 조사할 수 있는 기회를 제공할 뿐만 아니라 양자 물리학 실험을 위한 유망한 플랫폼으로 간주된다.

삼엽충 분자 생성 및 관찰

그러나 문제는 현재까지 삼엽충 분자를 현재의 방법으로 직접 관찰하는 것이 어렵다는 점이다. Althön과 그의 팀은 처음으로 삼엽충 분자의 진동 상태, 쌍극자 모멘트 및 기타 매개변수를 관찰하고 측정할 수 있는 방법을 개발했다. 이것의 출발점은 절대 영도보다 약 0.0001도까지 냉각된 루비듐 원자 구름이었고, 그중 일부는 레이저 들뜸을 사용해 리드베리 원자로 바뀌었다.

▲ 리드베리 분자의 양자 역학적 전자 상호작용에 의해 생성된 산란 패턴의 모양은 화석 삼엽충의 분할된 껍질과 유사하므로 삼엽충 분자라는 이름이 붙었다. © AG 오트; 공개 도메인

그런 다음 물리학자들은 레이저 펄스의 특별한 조합을 사용하여 중성 외부 원자를 리드베리 원자에 "삼키고" 결합시켜 삼엽충 분자를 만들었다. 추가 레이저 펄스와 특수 분광계를 사용하여 팀은 삼엽충 분자의 구조와 양자 물리적 매개변수를 결정할 수 있었다.

극단적인 쌍극자 모멘트 – 그리고 이론과의 편차

분석 결과, 리드베리 분자의 진동 상태가 삼엽충 껍질의 특징적인 모양과 일치한다는 것이 확인되었다. "삼엽충 곡선의 분자 전위는 해당 산란 길이에 비례한다"고 Althön과 그의 팀은 보고했다. 분자의 두 원자 사이의 결합 길이는 Rydberg 궤도만큼 길며 다른 이원자 분자의 결합 길이보다 훨씬 크다.

“삼엽충 분자의 또 다른 특징은 큰 전기 쌍극자 모멘트이다”고 연구팀은 설명했다. 두 번째 원자는 외부 리드베리 전자를 너무 강하게 끌어당기기 때문에 분자 내에서 극단적인 전하 구배가 발생한다. 측정 결과에 따르면 삼엽충 분자의 쌍극자 모멘트는 최대 1,700 Debye이므로 매우 크다. “실험과 이론은 좋은 일치를 보여주지만 실험적으로 결정된 쌍극자 모멘트는 이론 값보다 10~15% 더 크다”고 물리학자들은 보고했다.

이러한 편차의 원인은 현재 명확하지 않다. 연구원들에 따르면, 체계적인 측정 부정확성이 그 뒤에 있을 수 있지만 이론적 모델이 지금까지 Rydberg 분자의 결합 길이를 과소평가했을 수도 있다. Althön과 그의 동료들은 “여기에는 추가 이론적이고 실험적인 작업이 필요하다”고 말했다.
(Nature Communications, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-43818-7)
출처: Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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