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 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).

Свойства ридберговских атомов

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 r_n и типичный квазиклассический период обращения электрона равны

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

где a_B = 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

При возбуждении атомов из основного состояния в ридберговское происходит интересное явление, получившие название «дипольная блокада».

В разреженном атомном паре расстояние между атомами, находящимся 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 риберговское состояние. Попытка заселить тот же уровень другим атомом из-за «дипольной блокады» становится заведомо невозможной^[2].

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 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^[3].

Необычные свойства ридберговских атомов уже находят свои применения^{[источник не указан 389 дней]}

• Квантовые детекторы радиоизлучения: ридберговские атомы могут зарегистрировать даже единичный фотон в радиодиапазоне, что далеко за пределами возможностей обычных антенн.^{[источник не указан 389 дней]}
• Ступенчатый спектр энергий ридберговского электрона служит «энергетическим разновесом», который можно использовать при аккуратном измерении энергий.^{[источник не указан 389 дней]}
• Ридберговские атомы наблюдаются также и в межзвездной среде. Они являются очень чувствительными датчиками давления, созданным для нас самой природой.^{[источник не указан 389 дней]}

В 2009 году исследователями из университета Штутгарта удалось получить Ридберговскую молекулу (англ.)русск.^[4].

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

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} Делоне Н. Б. Ридберговские атомы // Соросовский образовательный журнал, 1998, № 4, с. 64-70
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. ↑ Cohesion in ball lightning
4. ↑ membrana.ru «Впервые в мире получена молекула Ридберга»

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. Возбужденные 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.