Ридберговские атомы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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 n 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 106 раз для n = 1000 (см. таблицу ниже).

Уровни лития

Свойства ридберговских атомов[править | править исходный текст]

Электрон, вращающийся на орбите радиуса r вокруг ядра, по второму закону Ньютона испытывает силу

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

где k = 1 / 4 \pi \epsilon_0 (\epsilon_0 — диэлектрическая восприимчивость), e — заряд электрона.

Орбитальный момент в единицах ħ равен

 mvr=n\hbar .

Из этих двух уравнений получим выражение для орбитального радиуса электрона, находящегося в состоянии n:

 r={n^2\hbar^2 \over ke^2m}.
Схема лазерного возбуждения атома рубидия в ридберговское состояние.

Энергия связи такого водородоподобного атома равна

W_n = {Ry \over (n-\delta)^2},

где Ry = 13.6 эВ есть постоянная Ридберга, а δ — дефект заряда ядра, который при больших n несущественен. Разница энергий между n-ым и n+1-ым уровнями энергии примерно равна

\Delta W \equiv W_n - W_{n+1} \approx {Ry \over n^3}.

Характерный размер атома rn и типичный квазиклассический период обращения электрона равны

r_n \approx a_B n^2, \quad T_n \approx T_1 n^3,

где aB = 0.5·10−10 м — боровский радиус, а T1 ~ 10−16 с.

Параметры первого возбуждённого и ридберговского состояний атома водорода[1]
Главное квантовое число, n Первое
возбуждённое
состояние,
n=2
Ридберговское
состояние,

n=1000
Энергия связи электрона в атоме (потенциал ионизации), эВ ≃ 5 ≃ 10−5
Размер атома (радиус орбиты электрона), м ~ 10−10 ~ 10−4
Период обращения электрона по орбите, с ~ 10−16 ~ 10−7
Естественное время жизни, с ~ 10−8 ~ 1

Длина волны излучения атома водорода при переходе с n = 91 на n = 90 равна 3,4 см[1]

Дипольная блокада ридберговских атомов[править | править исходный текст]

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 n^2 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, т.к. рудберговское 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 экпериментально 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[править | править исходный текст]

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 n 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 квази-одномерным: 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 109 В/см), а внешние поля для них играют роль лишь мелких добавок. Ридберговский электрон чувствует сильно ослабленное поле ядра (порядка E0 / n4), 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 Ридберговскую молекулу (англ.)русск.[8].

Радиоастрономия[править | править исходный текст]

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 n = 91 и n = 90 в спектре атома водорода[1].

Примечания[править | править исходный текст]

  1. 1 2 3 Делоне Н. Б. Ридберговские атомы // Соросовский образовательный журнал, 1998, № 4, с. 64-70
  2. 1 2 R. Heidemann et al. (2007). «Evidence for Coherent Collective Rydberg Excitation in the Strong Blockade Regime». Physical Review Letters 99 (16): 163601. DOI:10.1103/PhysRevLett.99.163601. arΧiv:quant-ph/0701120.
  3. D. Jaksch (2000). «Fast Quantum Gates for Neutral Atoms». Physical Review Letters 85 (10): 2208–11. DOI:10.1103/PhysRevLett.85.2208. PMID 10970499. Bibcode:2000PhRvL..85.2208J.
  4. A. Gaetan (2009). «Observation of collective excitation of two individual atoms in the Rydberg blockade regime». Nature Physics 5 (2): 115–118. DOI:10.1038/nphys1183. Bibcode:2009NatPh...5..115G.
  5. E. Urban (2009). «Observation of Rydberg blockade between two atoms». Nature Physics 5 (2): 110–114. DOI:10.1038/nphys1178. Bibcode:2009NatPh...5..110U.
  6. H. Weimer (2008). «Quantum Critical Behavior in Strongly Interacting Rydberg Gases». Physical Review Letters 101 (25). DOI:10.1103/PhysRevLett.101.250601. PMID 19113686. Bibcode:2008PhRvL.101y0601W.
  7. Cohesion in ball lightning
  8. membrana.ru «Впервые в мире получена молекула Ридберга»

Литература[править | править исходный текст]

  • 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. Возбужденные атомы. М.: Энергоиздат, 1982. Гл. 6.

Ссылки[править | править исходный текст]