Atomi Rydberg

Atomi Rydberg (numiți după J. R. Rydberg ) - atomi asemănătoare hidrogenului și atomi de metal alcalin , în care electronul exterior este într-o stare foarte excitată (până la nivelurile n de ordinul a 1000). Pentru a transfera un atom din starea sa fundamentală într-o stare excitată, acesta este iradiat cu lumină laser rezonantă sau este inițiată o descărcare RF. Dimensiunea unui atom Rydberg poate depăși dimensiunea aceluiași atom în starea fundamentală de aproape 106 ori pentru n = 1000 .

Proprietățile atomilor Rydberg

Un electron care se rotește pe o orbită cu raza r în jurul nucleului, conform celei de-a doua legi a lui Newton, experimentează o forță

\mathbf {F} =m\mathbf {a} \Rightarrow {\frac {ke^{2}}{r^{2}}}={\frac {mv^{2}}{r}} ,

unde ( este susceptibilitatea dielectrică ), e este sarcina electronilor. $k=1/(4\pi \epsilon _{0})$ $\epsilon_0$

Momentul orbital în unități de ħ este

mvr=n\hbar .

Din aceste două ecuații, obținem o expresie pentru raza orbitală a unui electron în starea n :

r={\frac {n^{2}\hbar ^{2}}{ke^{2}m}}.

Energia de legare a unui astfel de atom asemănător hidrogenului este

W_{n}={\frac {\mathrm {Ry} {(n-\delta )^{2))},

unde Ry = 13,6 eV este constanta Rydberg , iar δ este defectul de sarcină nucleară , care este nesemnificativ pentru n mare. Diferența de energie dintre nivelurile de energie n --lea și ( n  + 1)-- lea este

\Delta W\equiv W_{n}-W_{n+1}\aprox {\frac {\mathrm {Ry} {n^{3)}}.

Dimensiunea caracteristică a unui atom r n și perioada semiclasică tipică de revoluție a unui electron sunt

r_{n}\aprox a_{\text{B}}n^{2},\quad T_{n}\aprox T_{1}n^{3},

unde a B = 0,5⋅10 −10 m este raza Bohr , iar T 1 ~ 10 −16 s .

Parametrii primei stări excitate și Rydberg ale atomului de hidrogen [1]

Numărul cuantic principal , $n$	Prima stare de excitat $n=2$	statul Rydberg , $n=1000$
Energia de legare a unui electron într-un atom (potențial de ionizare), eV	≃ 5	≃ 10 −5
Dimensiunea atomului (raza orbitei electronilor), m	~ 10 −10	~ 10 −4
Perioada orbitală a electronilor, s	~ 10 −16	~ 10 −7
Durata de viață naturală , s	~ 10 −8	~ 1

Lungimea de undă de radiație a atomului de hidrogen în timpul trecerii de la n ′ = 91 la n = 90 este de 3,4 cm [1] .

Blocarea dipolului atomilor Rydberg

Când atomii sunt excitați de la starea fundamentală la starea Rydberg, are loc un fenomen interesant, numit „blocadă dipol”.

Într-un vapor atomic rarefiat, distanța dintre atomi în starea fundamentală este mare și practic nu există nicio interacțiune între atomi. Cu toate acestea, la excitarea atomilor în starea Rydberg, raza lor orbitală crește și atinge o valoare de ordinul a 1 μm. Ca urmare, atomii „se apropie”, interacțiunea dintre ei crește semnificativ, ceea ce determină o schimbare a energiei stărilor atomilor. La ce duce asta? Să presupunem că doar un atom de la starea fundamentală la starea Rydberg poate fi excitat de un impuls de lumină slab. O încercare de a popula același nivel cu un alt atom din cauza „blocadei dipolului” devine evident imposibilă, deoarece starea Rydberg a celui de-al doilea atom va schimba energia datorită interacțiunii cu primul atom și, prin urmare, va fi „în afara” rezonanței. cu frecvenţa fotonului. [2] . $n^{2}$

Controlul coerent al blocării dipolului atomilor Rydberg de către lumina laser îi face un candidat promițător pentru implementarea practică a unui computer cuantic . [3] Potrivit presei științifice, până în 2009, elementul de poartă de doi qubiți , care este important pentru calcul, nu a fost realizat experimental. Cu toate acestea, există rapoarte despre observarea excitației colective și a interacțiunii dinamice între doi atomi [4] [5] și în probe mezoscopice [2] .

Atomii Rydberg care interacționează puternic sunt caracterizați de un comportament critic cuantic , ceea ce asigură un interes științific fundamental pentru ei, indiferent de aplicații [6] .

Direcții de cercetare și posibile aplicații

Studiile legate de stările Rydberg ale atomilor pot fi împărțite condiționat în două grupe: studiul atomilor înșiși și utilizarea proprietăților lor în alte scopuri.

Domenii fundamentale de cercetare:

Din mai multe stări cu n mare , se poate compune un pachet de undă, care va fi mai mult sau mai puțin localizat în spațiu. Dacă și numărul cuantic orbital este mare, atunci vom obține o imagine aproape clasică: un nor de electroni localizat se rotește în jurul nucleului la o distanță mare de acesta.
Dacă impulsul orbital este mic, atunci mișcarea unui astfel de pachet de undă va fi cvasi-unidimensională : norul de electroni se va îndepărta de nucleu și se va apropia din nou de el. Acesta este un analog al unei orbite eliptice foarte alungite în mecanica clasică atunci când se mișcă în jurul Soarelui.
Comportarea unui electron Rydberg în câmpurile electrice și magnetice externe. Electronii obișnuiți, care sunt aproape de nucleu, simt în principal câmpul electrostatic puternic al nucleului (de ordinul a 10 9 V/cm), în timp ce câmpurile externe joacă doar rolul de aditivi mici pentru ei. Electronul Rydberg simte un câmp puternic slăbit al nucleului (de ordinul E 0 / n 4 ) și, prin urmare, câmpurile externe pot schimba radical mișcarea electronului.
Atomii cu doi electroni Rydberg au proprietăți interesante, un electron „învârtindu-se” în jurul nucleului la o distanță mai mare decât celălalt. Astfel de atomi sunt numiți planetari .
Conform uneia dintre ipoteze, fulgerul cu minge este format din substanța Rydberg [7] .

În 2009, cercetătorii de la Universitatea din Stuttgart au reușit să obțină o moleculă Rydberg[8] .

Radioastronomie

Primele date experimentale despre atomii Rydberg în radioastronomie au fost obținute în 1964 de R. S. Sorochenko și colab.( FIAN ) pe un radiotelescop cu oglindă de 22 de metri conceput pentru a studia radiația obiectelor spațiale în intervalul de frecvență centimetric. La focalizarea telescopului pe Nebuloasa Omega , în spectrul emisiilor radio provenite de la această nebuloasă, a fost detectată o linie de emisie la o lungime de undă de λ ≃ 3,4 cm . Această lungime de undă corespunde tranziției dintre stările Rydberg n ́ = 91 și n = 90 în spectrul atomului de hidrogen [1] .

Note

↑ 1 2 3 Delaunay N. B. Atomi Rydberg // Soros Educational Journal , 1998, nr. 4, p. 64-70
↑ 1 2 R. Heidemann et al. Dovezi pentru excitarea coerentă a colectivului Rydberg în regimul de blocaj puternic (engleză) // Physical Review Letters : jurnal. - 2007. - Vol. 99 , nr. 16 . — P. 163601 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.99.163601 .
↑ D. Jaksch; JI Cirac; P. Zoller; S. L. Rolston; R. Côte; MD Lukin. Fast Quantum Gates for Neutral Atoms (engleză) // Physical Review Letters : jurnal. - 2000. - Vol. 85 , nr. 10 . - P. 2208-2211 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.85.2208 . - Cod . — arXiv : quant-ph/0004038 . — PMID 10970499 .
↑ A. Gaetan; Miroșnicenko, Evhen; Wilk, Tatjana; Chotia, Amodsen; Viteau, Matthieu; Comparat, Daniel; Pillet, Pierre; Browaeys, Antoine; Granger, Philippe. Observarea excitației colective a doi atomi individuali în regimul de blocare Rydberg (engleză) // Nature Physics : journal. - 2009. - Vol. 5 , nr. 2 . - P. 115-118 . doi : 10.1038 / nphys1183 . — Cod biblic . - arXiv : 0810.2960 .
↑ E. Urban; Johnson, T.A.; Henage, T.; Isenhower, L.; Yavuz, D.D.; Walker, T. G.; Saffman, M. Observarea blocadei Rydberg între doi atomi // Nature Physics : journal . - 2009. - Vol. 5 , nr. 2 . - P. 110-114 . doi : 10.1038 / nphys1178 . - . - arXiv : 0805.0758 .
↑ H. Weimer; Low, Robert; Pfau, Tilman; Buchler, Hans Peter. Comportament critic cuantic în gazele Rydberg cu interacțiune puternică (engleză) // Physical Review Letters : jurnal. - 2008. - Vol. 101 , nr. 25 . — P. 250601 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.101.250601 . - Cod . - arXiv : 0806.3754 . — PMID 19113686 .
↑ Coeziunea în fulgerul mingii (link descendent)
↑ membrana.ru „Pentru prima dată în lume, a fost obținută molecula Rydberg” (link inaccesibil) . Consultat la 24 aprilie 2009. Arhivat din original pe 24 septembrie 2010. (nedefinit)

Literatură

Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. şi colab. Spectroscopia atomilor Rydberg la n ≅ 500 // Fiz. Rev. Lett. 1987 Vol. 59. P. 26.
Frey MT Hill SB. Smith KA. Dunning FB, Fabrikant II Studii de împrăștiere a moleculelor de electroni la energii de microelectronvolt folosind atomi Rydberg foarte înalți // Phys. Rev. Lett. 1995 Vol. 75, nr. 5. P. 810-813.
Sorochenko RL, Salomonovich AE Atomi giganți în spațiu // Priroda. 1987. Nr. 11. S. 82.
Dalgarno A. Rydberg atoms in astrophysics // Rydberg states of atoms and molecules: Per. din engleza. / Ed. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir, 1985. S. 9.
Smirnov BM Atomi excitați. Moscova: Energoizdat, 1982. Ch. 6.

Link -uri

Delaunay N. B. Rydberg atoms // Soros Educational Journal , 1998, No. 4, p. 64-70
„Materia Rydberg condensată” , E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, articol din revista „Priroda” N1, 2001.
Rydberg Physics , Nikola Šibalić și Charles S Adams, IOP Publishing (2018)