Русская Википедия:Ридберговские атомы
Ри́дберговские а́томы (названы в честь Й. Р. Ридберга) — водородоподобные атомы и атомы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбуждённом состоянии (вплоть до уровней Шаблон:Math порядка 1000). Для перевода атома из основного в возбуждённое состояние его облучают резонансным лазерным светом или инициируют радиочастотный разряд. Размер ридберговского атома может превышать размер находящегося в основном состоянии того же самого атома почти в 10Шаблон:Sup раз для Шаблон:Math = 1000.
Свойства ридберговских атомов
Электрон, вращающийся на орбите радиуса Шаблон:Math вокруг ядра, по второму закону Ньютона испытывает силу
- <math> \mathbf{F} = m\mathbf{a} \Rightarrow \frac{ke^2}{r^2} = \frac{mv^2}{r},</math>
где <math>k = 1 / (4 \pi \epsilon_0)</math> (<math>\epsilon_0</math> — диэлектрическая восприимчивость), Шаблон:Math — заряд электрона.
Орбитальный момент в единицах Шаблон:Math равен
- <math> mvr = n\hbar. </math>
Из этих двух уравнений получим выражение для орбитального радиуса электрона, находящегося в состоянии Шаблон:Math:
- <math> r = \frac{n^2\hbar^2}{ke^2m}. </math>
Энергия связи такого водородоподобного атома равна
- <math>W_n = \frac{\mathrm{Ry}}{(n - \delta)^2},</math>
где Шаблон:Math = 13,6 эВ есть постоянная Ридберга, а Шаблон:Math — дефект заряда ядра, который при больших Шаблон:Math несущественен. Разница энергий между Шаблон:Math-м и Шаблон:Math-м уровнями энергии равна
- <math>\Delta W \equiv W_n - W_{n+1} \approx \frac{\mathrm{Ry}}{n^3}.</math>
Характерный размер атома Шаблон:Math и типичный квазиклассический период обращения электрона равны
- <math>r_n \approx a_\text{B} n^2, \quad T_n \approx T_1 n^3,</math>
где Шаблон:Math = 0,5Шаблон:E м — боровский радиус, а Шаблон:Math ~ 10Шаблон:Sup с.
| Главное квантовое число, <math>n</math> | Первое возбуждённое состояние, <math>n = 2</math> |
Ридберговское состояние, <math>n = 1000</math> |
|---|---|---|
| Шаблон:S | ≃ 5 | ≃ 10Шаблон:Sup |
| Размер атома (радиус орбиты электрона), м | ~ 10Шаблон:Sup | ~ 10Шаблон:Sup |
| Период обращения электрона по орбите, с | ~ 10Шаблон:Sup | ~ 10Шаблон:Sup |
| Естественное время жизни, с | ~ 10Шаблон:Sup | ~ 1 |
Длина волны излучения атома водорода при переходе с Шаблон:Math = 91 на Шаблон:Math = 90 равна 3,4 см[1].
Дипольная блокада ридберговских атомов
При возбуждении атомов из основного состояния в ридберговское происходит интересное явление, получившие название «дипольная блокада».
В разреженном атомном паре расстояние между атомами, находящимися в основном состоянии, велико, и взаимодействия между атомами практически нет. Однако, при возбуждении атомов в ридберговское состояние их радиус орбиты увеличивается в <math>n^2</math> и достигает величины порядка 1 мкм. В результате атомы «сближаются», взаимодействие между ними значительно увеличивается, что вызывает смещение энергии состояний атомов. К чему это приводит? Предположим, что слабым импульсом света удалось возбудить только один атом из основного в ридберговское состояние. Попытка заселить тот же уровень другим атомом из-за «дипольной блокады» становится заведомо невозможной, так как ридберговское состояние второго атома из-за взаимодействия с первым атомом изменит энергию и, следовательно, будет «вне» резонанса с частотой фотона.[2].
Когерентное управление дипольной блокадой ридберговских атомов лазерным светом делает их перспективным кандидатом для практической реализации квантового компьютера.[3] По сообщениям научной печати, до 2009 года важный для вычислений элемент квантового компьютера двух-кубитный вентиль экспериментально не был реализован. Однако, имеются сообщения о наблюдении коллективного возбуждения и динамического взаимодействия между двумя атомами[4][5] и в мезоскопических образцах[2].
Сильно взаимодействующие ридберговские атомы характеризуются квантовым критическим поведением, что обеспечивает фундаментальный научный интерес к ним независимо от приложений[6].
Направления исследования и возможные применения
Исследования, связанные с ридберговскими состояниями атомов, можно условно разбить на две группы: изучение самих атомов и использование их свойств для прочих целей.
Фундаментальные направления исследования:
- Из нескольких состояний с большими Шаблон:Math можно составить волновой пакет, который будет более-менее локализован в пространстве. Если при этом большим будет и орбитальное квантовое число, то мы получим почти классическую картинку: локализованное электронное облако вращается вокруг ядра на большом расстоянии от него.
- Если орбитальный момент мал, то движение такого волнового пакета будет квазиодномерным: электронное облако будет удаляться от ядра и снова приближаться к нему. Это аналог сильно вытянутой эллиптической орбиты в классической механике при движении вокруг Солнца.
- Поведение ридберговского электрона во внешних электрических и магнитных полях. Обычные электроны, находящиеся близко к ядру, в основном чувствуют сильное электростатическое поле ядра (порядка 10Шаблон:Sup В/см), а внешние поля для них играют роль лишь мелких добавок. Ридберговский электрон чувствует сильно ослабленное поле ядра (порядка Шаблон:Math), и потому внешние поля могут кардинально изменить движение электрона.
- Интересными свойствами обладают атомы с двумя ридберговскими электронами, причем один электрон «крутится» вокруг ядра на большем расстоянии, чем другой. Такие атомы называются планетарными.
- По одной из гипотез, из ридберговского вещества состоит шаровая молния[7].
В 2009 году исследователями из университета Штутгарта удалось получить Шаблон:Нп3[8].
Радиоастрономия
Первые экспериментальные данные по ридберговским атомам в радиоастрономии были получены в 1964 году Р. С. Сороченко и др. (ФИАН) на 22-метровом зеркальном радиотелескопе, созданном для исследования излучения космических объектов в сантиметровом диапазоне частот. При ориентации телескопа на туманность Омега в спектре радиоизлучения, идущего от этой туманности, была обнаружена линия излучения на длине волны λ ≃ 3,4 см. Эта длина волны соответствует переходу между ридберговскими состояниями Шаблон:Math = 91 и Шаблон:Math = 90 в спектре атома водорода[1].
Примечания
Литература
- Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke К. et al. Spectroscopy of Rydberg Atoms at n ≅ 500 // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 59. P. 26.
- Frey M. T. Hill S.B.. Smith K.A.. Dunning F.B., Fabrikant I.I. Studies of Electron-Molecule Scattering at Microelectronvolt Energies Using Very-High-n Rydberg Atoms // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 75, № 5. P. 810—813.
- Сороченко Р. Л., Саломонович A.E. Гигантские атомы в космосе // Природа. 1987. № 11. С. 82.
- Далгарно А. Ридберговские атомы в астрофизике // Ридберговские состояния атомов и молекул: Пер. с англ. / Под ред. Р. Стеббинса, Ф. Даннинга. М.: Мир, 1985. С. 9.
- Смирнов Б. М. Возбуждённые атомы. М.: Энергоиздат, 1982. Гл. 6.
Ссылки
- Делоне Н. Б. Ридберговские атомы // Соросовский образовательный журнал, 1998, № 4, с. 64-70
- «Конденсированное ридберговское вещество», Э. А. Маныкин, М. И. Ожован, П. П. Полуэктов, статья из журнала «Природа» N1, 2001.
- Rydberg Physics, Nikola Šibalić and Charles S Adams, IOP Publishing (2018)
