如何产生幽灵化学键

施加到原子上的一系列电和磁脉冲可以导致其中一个电子表现得好像“键合”到空间中的一处空白。

以常识而言，化学键的形成至少需要两个可成键的原子。但是，一项实验展示出也许可以将这个要求降低到只有一个原子。这提供了新视角，使研究人员可以去探索异常的化学键形式。印第安纳州西拉斐特的普渡大学Matthew Eiles 及其同事提出了构建一种称为三叶虫的键的方法。他们所操纵的是里德伯原子，这是一种电子处于高激发态的原子。而这个名字则是源自电子波函数的空间分布和这种早已灭绝的节肢动物很相似。

一般来说，科学家会在一些特别类型的双原子分子中观察到三叶虫键，比如铷和铯的双原子分子(Rb2和Cs2)。此时，其中一个原子位于里德伯态，另一个则处于基态。由于里德伯原子的高能级电子占据的轨道离原子核很远，于是这些“三叶虫分子”就格外巨大，比通常的双原子分子要大1000 倍。利用数值模拟，Eiles 和同事们发现，如果精细地控制一个电场与磁场脉冲交替出现的序列，那么里德伯氢原子的波函数可以被塑型并与三叶虫分子相似。这导致被激发的电子被定位于空间的一点，与原子核相聚几十纳米。这个波函数可持续至少200 μs，这种效应就像里德伯原子暂时性的与一个不存在的幽灵原子成键。

实验科学家则需要想办法去实现这些严格的条件，获得同步的脉冲并屏蔽外场。如果能跨过这些障碍就能产生幽灵键。这个结果可以通过电子或X射线散射来观察和证实，而其应用则还在思索之中。他们猜测也许这种键可以用来改变化学反应的速率。

王树峰 编译自 Physics，September 12, 2018

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