Несмотря на свои крайне малые размеры, атом практически любого вещества характеризуется весьма значительным объемом свободного пространства, наибольшая часть которого приходится на промежуток между ядром и нижним электронным слоем. Однако в ходе недавнего исследования ученые из США и Австрии успешно заполнили определенные пустоты внутри атомной структуры, получив новую форму материи — гигантские «атомы», состоящие из скопления других атомов. Данная структура получила название полярона Райдберга; ее размер составляет несколько сотен нанометров, что в тысячу раз превышает размеры атома водорода. Для синтеза этого объекта исследователи из Венского технологического университета, Университета Райс и Гарвардского университета использовали конденсат Бозе-Эйнштейна.

Это экзотическое состояние материи формируется, когда атомы вещества охлаждаются до температуры, очень близкой к температуре абсолютного нуля. При такой температуре тепловое движение атомов практически прекращается и все они начинают синхронно колебаться, демонстрируя весьма необычное коллективное поведение. Отметим, что конденсат Бозе-Эйнштейна уже не раз использовался учеными для создания весьма и весьма экзотических форм материи, таких, как сверхтвердые частицы, экситониум и материя с отрицательной массой.

В данном случае конденсат Бозе-Эйнштейна состоял из атомов стронция. После процедуры охлаждения ученые использовали свет лазера для того, чтобы привести один из атомов в возбужденное состояние, в котором он от избытка энергии теряет один электрон. Этот электрон начинает вращаться вокруг иона-ядра на гораздо большем расстоянии, чем это делают электроны в обычных условиях. И такая система уже представляет собой атом Райдберга.

Орбита движения отделившегося электрона настолько широка, что в ее пределах могут поместиться другие атомы стронция. Ученым удалось заметить атом Райдберга, внутри которого было заключено 170 других атомов. Количество поглощенных атомом Райдберга других атомов зависит от энергии накачки, т.е. от радиуса орбиты электрона, и от плотности исходного конденсата Бозе-Эйнштейна.

Так же ученые заметили, что атомы, поглощенные атомом Райдберга, хоть и взаимодействуют друг с другом, но делают это очень и очень слабо. Электрон этого атома тормозится встречающимися на его пути нейтральными атомами и движется настолько медленно, что уже не может перейти в любое другое энергетическое состояние. Когда ученые произвели расчет математической модели такой системы, они нашли, что слабое взаимодействие атомов уменьшает суммарную энергию системы, которая расходуется на образование взаимосвязей между атомами, заключенными внутри атома Райдберга.

Интересен и необычен тот факт, что в данном случае электрически нейтральные атомы связываются и удерживаются в виде единого целого одним электроном. И это указывает на то, что атом или полярон Райдберга представляет собой новую форму материи, которую, после тщательного изучения, можно будет использовать в науке и которая может стать основой будущих экзотических технологий.

Для любознательных

Разберём, для чего разрабатывают новую форму материи на основе гигантских атомов Райдберга (ридберговских атомов) — так называемых ридберговских поляронов.

Как создают ридберговский полярон

Чтобы получить эту экзотическую форму материи, учёные:

1. Охлаждают атомы (например, стронция) до температуры, близкой к абсолютному нулю ($\sim 150$ нанокельвинов), создавая конденсат Бозе‑Эйнштейна — состояние, в котором атомы ведут себя как единая квантовая сущность.
2. С помощью лазера возбуждают один из атомов, переводя его электрон на очень высокую орбиту. Получается атом Райдберга — его размер может достигать нескольких сотен нанометров (в тысячу раз больше атома водорода).
3. В пространство между ядром и возбуждённым электроном «помещают» другие атомы (до 170 штук). Они слабо взаимодействуют друг с другом и с электроном, но удерживаются внутри гигантского атома.

Цели и потенциальные применения

Разработка и изучение такой формы материи преследует несколько ключевых целей:

1. Фундаментальные исследования

• Проверка квантовой механики. Система позволяет изучать квантовые эффекты на почти макроскопическом уровне — атомы внутри ридберговского «пузыря» демонстрируют коллективное поведение, которое сложно смоделировать классическими методами.
• Изучение слабых взаимодействий. Атомы внутри полярона взаимодействуют очень слабо, что даёт возможность исследовать, как энергия распределяется в таких системах и как возникает новое состояние вещества.
• Моделирование сложных квантовых систем. Структура ридберговского полярона может служить моделью для изучения других экзотических состояний материи (сверхтвёрдых тел, экситониума и т. д.).

2. Квантовые технологии

• Квантовые компьютеры и кубиты. Ридберговские атомы способны долго сохранять когерентность (согласованность квантовых состояний), что делает их перспективными кандидатами для реализации кубитов — базовых элементов квантовых вычислений.
• Квантовые симуляторы. Массивы ридберговских атомов могут моделировать поведение сложных физических и химических систем (например, высокотемпературных сверхпроводников или сворачивания белков), помогая оптимизировать материалы и лекарства.
• Квантовая связь. Сильное взаимодействие между ридберговскими атомами позволяет передавать квантовую информацию на большие расстояния, что важно для создания квантового интернета.

3. Прецизионные измерения

• Сверхчувствительные датчики. Из-за высокой поляризуемости ридберговские атомы крайне чувствительны к электрическим и магнитным полям. На их основе можно создать датчики для измерения сверхмалых полей или гравитационных волн.
• Эталоны времени и частоты. Возбуждённые состояния ридберговских атомов стабильны, что потенциально повышает точность атомных часов.

4. Новые материалы и химия

• Управляемые химические реакции. Возбуждение атомов до ридберговского состояния может изменять их реакционную способность, позволяя контролировать химические процессы на квантовом уровне.
• Экзотические соединения. Изучение того, как атомы взаимодействуют внутри ридберговского «пузыря», может привести к созданию материалов с необычными свойствами (например, сверхпроводимостью при комнатной температуре).

---

Важные ограничения

Сейчас ридберговские поляроны существуют лишь в лабораторных условиях:

• при сверхнизких температурах (близких к абсолютному нулю);
• в ультравысоком вакууме;
• на очень короткое время (доли секунды).

Преодоление этих ограничений — одна из главных задач дальнейших исследований. Успех откроет путь к практическому применению этой необычной формы материи.

Ближайшие перспективы

Ридберговские поляроны — это всё ещё в первую очередь объект фундаментальных исследований, но первые ростки практического применения уже видны. И сроки зависят от того, какую именно задачу мы ставим. Я подобрала ориентиры по разным направлениям.

• Квантовые вычисления и симуляторы. Это самое перспективное и близкое направление. Уже есть реальные проекты: например, компания QuEra (возникла из сотрудничества Гарварда и MIT) создала 256-кубитный ридберговский квантовый процессор Aquila. Учёные активно работают над тем, чтобы сделать такие системы масштабируемыми и повысить точность операций (fidelity). Если удастся решить инженерные задачи (стабильность, управление большим числом атомов, коррекция ошибок), то прототипы квантовых симуляторов для моделирования сложных молекул (что важно для фармацевтики) или квантовые компьютеры для определённых задач могут появиться в лабораториях в ближайшие 5–10 лет. Но до массового коммерческого продукта ещё далеко — нужно пройти путь от прототипов до промышленных стандартов.
• Сверхточные сенсоры. У ридберговских поляронов есть свойство: их состояние очень чувствительно к внешним воздействиям — малейшее изменение температуры, давления или электрического поля меняет их свойства. На этой основе реально создать сенсоры для медицинской диагностики (например, для обнаружения отдельных биомолекул), экологического мониторинга или фундаментальных физических экспериментов. Здесь тоже нужны этапы от лабораторных демонстраций до серийных устройств, так что реалистично говорить о первых коммерческих нишевых продуктах через 7–15 лет.
• Фундаментальная наука. Даже если прямое прикладное применение отложится, изучение таких экзотических состояний материи помогает лучше понимать квантовую механику в мезоскопических системах — на стыке микро- и макромира. Это база для будущих прорывов в других областях физики.

Что тормозит?

Несколько ключевых вызовов, которые нужно преодолеть, прежде чем технология выйдет за пределы лабораторий:

• Экстремальные условия. Сейчас такие системы стабильно работают только при ультранизких температурах (близких к абсолютному нулю). Для практического применения нужно научиться стабилизировать поляроны в более «земных» условиях.
• Декогеренция. Квантовое состояние очень хрупко: любое взаимодействие с окружающей средой «разрушает» его. Учёные ищут способы продлить время когерентности.
• Сложность управления. Чтобы строить сложные квантовые схемы, нужно научиться очень точно и одновременно управлять огромным числом атомов.

Так что мой прогноз такой: в ближайшие годы мы увидим больше лабораторных демонстраций и прототипов, а первые реальные прикладные решения (в узких нишах) могут появиться в течение следующего десятилетия. Но путь от открытия до массового продукта всегда долгий!