Rydbergs atomer

Rydberg-atomer (uppkallade efter J. R. Rydberg ) - väteliknande atomer och alkalimetallatomer , i vilka den yttre elektronen är i ett starkt exciterat tillstånd (upp till nivåer n i storleksordningen 1000). För att överföra en atom från dess grundtillstånd till ett exciterat tillstånd, bestrålas den med resonant laserljus eller så initieras en RF-urladdning. Storleken på en Rydberg-atom kan överstiga storleken på samma atom i grundtillståndet med nästan 10 6 gånger för n = 1000 .

Rydbergs atomers egenskaper

En elektron som kretsar i en bana med radien r runt kärnan, enligt Newtons andra lag, upplever en kraft

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

där ( är den dielektriska känsligheten ), e är elektronladdningen. $k=1/(4\pi \epsilon _{0})$ $\epsilon_0$

Orbital rörelsemängd i enheter av ħ är

mvr=n\hbar .

Från dessa två ekvationer får vi ett uttryck för omloppsradien för en elektron i tillstånd n :

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

Bindningsenergin för en sådan väteliknande atom är

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

där Ry = 13,6 eV är Rydbergskonstanten och δ är kärnladdningsdefekten , som är obetydlig för stort n . Energiskillnaden mellan den n - :e och ( n  + 1) -:e energinivån är

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

Den karakteristiska storleken på en atom r n och den typiska halvklassiska rotationsperioden för en elektron är

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

där a B = 0,5⋅10 −10 m är Bohr-radien och T 1 ~ 10 −16 s .

Parametrar för de första exciterade och Rydberg-tillstånden för väteatomen [1]

Huvudkvantnummer , $n$	Första upphetsad tillstånd $n=2$	Rydberg staten, $n=1000$
Bindningsenergi för en elektron i en atom (joniseringspotential), eV	≃ 5	≃ 10 −5
Atomstorlek (elektronens omloppsradie), m	~ 10 −10	~ 10 −4
Elektronens omloppsperiod, s	~ 10 −16	~ 10 −7
Naturlig livstid , s	~ 10 −8	~ 1

Strålningsvåglängden för väteatomen under övergången från n ′ = 91 till n = 90 är 3,4 cm [1] .

Dipolblockad av Rydberg-atomer

När atomer exciteras från grundtillståndet till Rydbergstillståndet uppstår ett intressant fenomen som kallas "dipolblockad".

I en sällsynt atomånga är avståndet mellan atomerna i grundtillståndet stort, och det finns praktiskt taget ingen interaktion mellan atomerna. Men vid excitation av atomer till Rydberg-tillståndet ökar deras omloppsradie och når ett värde av storleksordningen 1 μm. Som ett resultat "närmar sig atomerna", interaktionen mellan dem ökar avsevärt, vilket orsakar en förändring av energin i atomernas tillstånd. Vad leder detta till? Låt oss anta att endast en atom från grundtillståndet till Rydbergtillståndet kan exciteras av en svag ljuspuls. Ett försök att befolka samma nivå med en annan atom på grund av "dipolblockaden" blir uppenbarligen omöjligt, eftersom Rydberg-tillståndet för den andra atomen kommer att ändra energi på grund av interaktion med den första atomen och därför kommer att vara "ur" resonans med fotonens frekvens. [2] . $n^{2}$

Koherent kontroll av dipolblockaden av Rydberg-atomer med laserljus gör dem till en lovande kandidat för den praktiska implementeringen av en kvantdator . [3] Enligt den vetenskapliga pressen, fram till 2009, implementerades inte två -qubit -grindelementet , som är viktigt för datoranvändning, experimentellt. Det finns dock rapporter om observation av kollektiv excitation och dynamisk interaktion mellan två atomer [4] [5] och i mesoskopiska prover [2] .

Starkt interagerande Rydberg-atomer kännetecknas av kvantkritiskt beteende, vilket säkerställer grundläggande vetenskapligt intresse för dem, oavsett tillämpningar [6] .

Anvisningar för forskning och möjliga tillämpningar

Studier relaterade till atomernas Rydbergstillstånd kan villkorligt delas in i två grupper: studiet av själva atomerna och användningen av deras egenskaper för andra ändamål.

Grundläggande forskningsområden:

Från flera tillstånd med stort n kan man komponera ett vågpaket, som kommer att vara mer eller mindre lokaliserat i rymden. Om det orbitala kvanttalet också är stort, så får vi en nästan klassisk bild: ett lokaliserat elektronmoln roterar runt kärnan på stort avstånd från den.
Om omloppsrörelsen är liten, kommer rörelsen hos ett sådant vågpaket att vara kvasi-endimensionell : elektronmolnet kommer att röra sig bort från kärnan och närma sig den igen. Detta är en analog till en mycket långsträckt elliptisk bana i klassisk mekanik när den rör sig runt solen.
Beteende hos en Rydberg-elektron i yttre elektriska och magnetiska fält. Vanliga elektroner, som är nära kärnan, känner främst kärnans starka elektrostatiska fält (i storleksordningen 10 9 V/cm), medan yttre fält spelar rollen som endast små tillsatser för dem. Rydberg-elektronen känner ett starkt försvagat fält i kärnan (i storleksordningen E 0 / n 4 ), och därför kan externa fält radikalt förändra elektronens rörelse.
Atomer med två Rydberg-elektroner har intressanta egenskaper, där den ena elektronen "snurrar" runt kärnan på ett större avstånd än den andra. Sådana atomer kallas planetariska .
Enligt en av hypoteserna består bollblixten av Rydbergsämnet [7] .

2009 lyckades forskare från universitetet i Stuttgart få fram en Rydberg-molekyl[8] .

Radioastronomi

De första experimentella data om Rydberg-atomer inom radioastronomi erhölls 1964 av R. S. Sorochenko et al. ( FIAN ) på ett 22-meters spegelradioteleskop utformat för att studera utstrålningen av rymdobjekt i centimeters frekvensområde. När teleskopet fokuserades på Omega-nebulosan , i spektrumet av radioemission som kommer från denna nebulosa, upptäcktes en emissionslinje vid en våglängd på λ ≃ 3,4 cm . Denna våglängd motsvarar övergången mellan Rydbergstillstånden n ́ = 91 och n = 90 i väteatomens spektrum [1] .

Anteckningar

↑ 1 2 3 Delaunay N. B. Rydberg atoms // Soros Educational Journal , 1998, nr 4, sid. 64-70
↑ 1 2 R. Heidemann et al. Evidence for Coherent Collective Rydberg Excitation in the Strong Blockade Regime (engelska) // Physical Review Letters : journal. - 2007. - Vol. 99 , nr. 16 . — S. 163601 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.99.163601 .
↑ D. Jaksch; JI Cirac; P. Zoller; S.L. Rolston; R. Côte; MD Lukin. Snabba kvantportar för neutrala atomer (engelska) // Physical Review Letters : journal. - 2000. - Vol. 85 , nr. 10 . - P. 2208-2211 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.85.2208 . - . — arXiv : quant-ph/0004038 . — PMID 10970499 .
↑ A. Gaetan; Miroshnychenko, Yevhen; Wilk, Tatjana; Chotia, Amodsen; Viteau, Matthieu; Comparat, Daniel; Pillet, Pierre; Browaeys, Antoine; Granger, Philippe. Observation av kollektiv excitation av två individuella atomer i Rydbergs blockadregime (engelska) // Nature Physics : journal. - 2009. - Vol. 5 , nej. 2 . - S. 115-118 . doi : 10.1038 / nphys1183 . — . - arXiv : 0810.2960 .
↑ E. Urban; Johnson, T.A.; Henage, T.; Isenhower, L.; Yavuz, D.D.; Walker, T.G.; Saffman, M. Observation of Rydberg blockade between two atoms // Nature Physics : journal . - 2009. - Vol. 5 , nej. 2 . - S. 110-114 . doi : 10.1038 / nphys1178 . - . - arXiv : 0805.0758 .
↑ H. Weimer; Låg, Robert; Pfau, Tilman; Buchler, Hans Peter. Quantum Critical Behaviour in Strongly Interacting Rydberg Gases (engelska) // Physical Review Letters : journal. - 2008. - Vol. 101 , nr. 25 . — S. 250601 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.101.250601 . - . - arXiv : 0806.3754 . — PMID 19113686 .
↑ Sammanhållning i bollblixtar (nedlänk)
↑ membrana.ru "För första gången i världen har Rydberg-molekylen erhållits" (otillgänglig länk) . Hämtad 24 april 2009. Arkiverad från originalet 24 september 2010. (obestämd)

Litteratur

Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. et al. Spektroskopi av Rydberg-atomer vid n ≅ 500 // Phys. Varv. Lett. 1987 vol. 59. S. 26.
Frey MT Hill SB. Smith KA. Dunning FB, Fabrikant II Studier av elektron-molekylspridning vid mikroelektronvoltenergier med användning av mycket höga Rydberg-atomer // Phys. Varv. Lett. 1995 vol. 75, nr 5. s. 810-813.
Sorochenko RL, Salomonovich AE Jätteatomer i rymden // Priroda. 1987. Nr 11. S. 82.
Dalgarno A. Rydbergs atomer i astrofysik // Rydberg tillstånd av atomer och molekyler: Per. från engelska. / Ed. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir, 1985. S. 9.
Smirnov BM Exciterade atomer. Moskva: Energoizdat, 1982. Ch. 6.

Länkar

Delaunay N. B. Rydberg atoms // Soros Educational Journal , 1998, nr 4, sid. 64-70
"Condensed Rydberg matter" , E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, artikel från tidskriften "Priroda" N1, 2001.
Rydberg Physics , Nikola Šibalić och Charles S Adams, IOP Publishing (2018)