幽灵般的化学键

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通常，两个原子会通过共享电子来形成化学键。在最少的情形下，形成一个化学键也无疑需要两个原子。然而据最新研究表明，我们或许可以只用一个原子，就能让化学键形成。

普渡大学的Matthew Eiles和同事想出了一种方法，通过精心操纵一个里德伯原子（Rydberg atom，有一个电子处于高度激发态）来构造一种所谓的三叶虫键（trilobite）——它以一种电子波函数的名字命名，该波函数的形状与早已灭绝的节肢动物的化石非常相似。

○ 三叶虫键（左），三叶虫化石（右）。| 图片来源：M. Eiles/Purdue University & Wikipedia

里德伯原子

里德伯原子具有一个或多个主量子数（n）很大的激发态电子，因为电子的轨道半径和n²成正比，所以这些激发态电子距离原子核非常遥远。例如，氢原子核的直径大约为0.1纳米，而主量子数n=137的电子轨道半径大约为1微米，是原子核尺寸的1万倍。由于内层电子屏蔽了原子核的电场，以至于外层电子感受到的电势就如同只有单个电子的氢原子。

里德伯原子会对外界电磁场产生强烈的反应。我们知道，原子的光谱在电场或磁场中会分裂，原本简并的量子态会分裂成一系列更为精细的结构，这就是所谓的塞曼效应（Zeeman effect，在磁场中分裂）和斯塔克效应（Stark effect，在电场中分裂）。

○ 斯塔克效应示意图。里德伯态的氢原子光谱在外界电场下分裂，每个主量子数为n的量子态包含（n-1）个简并态，外界电场会破坏这种简并性，使光谱分裂开来。| 图片来源：Michael Courtney

从双原子分子到单原子“幽灵”化学键

通常，科学家会在特殊类型的双原子分子（比如Rb₂和Cs₂）中观察到三叶虫键。这些双原子分子的一个原子处于里德伯态，另一个处于基态。因为里德伯原子的外层电子占据着一个非常远的轨道，这些“三叶虫分子”异乎寻常的大，比普通的双原子分子大1000倍左右。

主量子数n很大的电子激发态包含大量简并态，那些角动量（l）较大的电子态彼此混合，以使电子概率最大化，最终在基态原子附近形成三叶虫键。

Eiles和同事使用数值分析的方法表明，即使不存在基态原子，单独的里德伯原子也可以形成这样的化学键，并称之为“幽灵”化学键。

通过施加一个精确序列的交替电磁场脉冲，一个里德伯氢原子的电子波函数会被塑造成与三叶虫分子的电子波函数匹配的形状，正如同基态原子存在时那样。这会使得一个激发的电子强烈地局限在空间中的一点，距离原子核数十纳米远。这个波函数会持续至少200微秒，这实际上是将里德伯氢原子与空间中一个不存在的“幽灵”原子绑定成键。

○ 产生主量子数n=70的三叶虫分子的示意图。图中的绿色小圆点表示里德伯离子，绿色直线表示长度为1.1x10^4个玻尔半径的标尺。蓝色、红色、粉色表示密度逐渐降低的电子概率分布。（a）原子的外层电子被激发到ns里德伯态；（b）磁场逐渐增强，形成塞曼态；（c-d）在磁场达到最大强度时加入短的脉冲电场，形成简并态的复杂叠加，脉冲序列上不同位置的波函数强烈混合；（e）在脉冲电场的末尾，原初的三叶虫分子逐渐形成，磁场逐渐退去，最终形成三叶虫态（f）。| 图片来源：[1]

实验人员需要找出方法，以满足将脉冲与外部电磁场同步的严格要求。如果克服了这些障碍并制造出一个幽灵化学键，就能够通过电子或X射线散射实验观察到这个系统。