Rydbergovy atomy

Rydbergovy atomy (pojmenované po J. R. Rydbergovi ) - atomy podobné vodíku a atomy alkalických kovů , ve kterých je vnější elektron ve vysoce excitovaném stavu (až do úrovní n řádu 1000). Pro převedení atomu ze základního stavu do excitovaného stavu je atom ozářen rezonančním laserovým světlem nebo je iniciován RF výboj. Velikost Rydbergova atomu může překročit velikost stejného atomu v základním stavu téměř 10 6krát pro n = 1000 .

Vlastnosti Rydbergových atomů

Na elektron obíhající po dráze o poloměru r kolem jádra podle druhého Newtonova zákona působí síla

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

kde ( je dielektrická susceptibilita ), e je náboj elektronu. $k=1/(4\pi \epsilon _{0})$ $\epsilon_0$

Orbitální hybnost v jednotkách ħ je

mvr=n\hbar .

Z těchto dvou rovnic získáme výraz pro orbitální poloměr elektronu ve stavu n :

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

Vazebná energie takového atomu podobného vodíku je

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

kde Ry = 13,6 eV je Rydbergova konstanta a δ je defekt jaderného náboje , který je pro velké n nevýznamný . Energetický rozdíl mezi n - tou a ( n  + 1) -tou energetickou hladinou je

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

Charakteristická velikost atomu r n a typická semiklasická perioda revoluce elektronu jsou

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

kde a B = 0,5⋅10 −10 m je Bohrův poloměr a T 1 ~ 10 −16 s .

Parametry prvních excitovaných a Rydbergových stavů atomu vodíku [1]

hlavní kvantové číslo , $n$	První vzrušený stav $n=2$	stát Rydberg , $n=1000$
Vazebná energie elektronu v atomu (ionizační potenciál), eV	≃ 5	≃ 10 -5
Velikost atomu (poloměr elektronové oběžné dráhy), m	~ 10 -10	~ 10 −4
Doba oběhu elektronů, s	~ 10 −16	~ 10 -7
Přirozená životnost , s	~ 10 -8	~ 1

Vlnová délka záření atomu vodíku při přechodu z n ′ = 91 do n = 90 je 3,4 cm [1] .

Dipólová blokáda Rydbergových atomů

Když jsou atomy excitovány ze základního stavu do Rydbergova stavu, dochází k zajímavému jevu, nazývanému „dipólová blokáda“.

Ve zředěné atomové páře je vzdálenost mezi atomy v základním stavu velká a mezi atomy prakticky nedochází k žádné interakci. Při excitaci atomů do Rydbergova stavu se však jejich orbitální poloměr zvětšuje a dosahuje hodnoty řádově 1 μm. V důsledku toho se atomy "přibližují", interakce mezi nimi se výrazně zvyšuje, což způsobuje posun energie stavů atomů. K čemu to vede? Předpokládejme, že pouze jeden atom ze základního stavu do Rydbergova stavu může být vybuzen slabým světelným pulzem. Pokus o osídlení stejné úrovně jiným atomem v důsledku „dipólové blokády“ se stává zjevně nemožným, protože Rydbergův stav druhého atomu změní energii v důsledku interakce s prvním atomem, a proto bude „mimo“ rezonanci. s frekvencí fotonu. [2] . $n^{2}$

Koherentní řízení dipólové blokády Rydbergových atomů laserovým světlem z nich dělá slibného kandidáta pro praktickou implementaci kvantového počítače . [3] Podle vědeckého tisku nebyl do roku 2009 experimentálně realizován dvouqubitový hradlový prvek, který je důležitý pro výpočetní techniku . Existují však zprávy o pozorování kolektivní excitace a dynamické interakce mezi dvěma atomy [4] [5] a v mezoskopických vzorcích [2] .

Silně interagující Rydbergovy atomy se vyznačují kvantově kritickým chováním, což zajišťuje zásadní vědecký zájem o ně bez ohledu na aplikace [6] .

Směry výzkumu a možné aplikace

Studie související s Rydbergovými stavy atomů lze podmíněně rozdělit do dvou skupin: studium samotných atomů a využití jejich vlastností pro jiné účely.

Základní oblasti výzkumu:

Z několika stavů s velkým n lze sestavit vlnový paket, který bude víceméně lokalizován v prostoru. Pokud je orbitální kvantové číslo také velké, pak dostaneme téměř klasický obrázek: kolem jádra rotuje ve velké vzdálenosti od něj lokalizovaný elektronový mrak.
Je-li orbitální hybnost malá, pak pohyb takového vlnového balíčku bude kvazi-jednorozměrný : elektronový mrak se bude vzdalovat od jádra a znovu se k němu přibližovat. Jedná se o analogii vysoce protáhlé eliptické dráhy v klasické mechanice při pohybu kolem Slunce.
Chování Rydbergova elektronu ve vnějších elektrických a magnetických polích. Obyčejné elektrony, které jsou blízko jádra, pociťují především silné elektrostatické pole jádra (řádově 10 9 V/cm), zatímco vnější pole pro ně hrají roli pouze malých přísad. Rydbergův elektron cítí silně oslabené pole jádra (řádově E 0 / n 4 ), a proto mohou vnější pole radikálně změnit pohyb elektronu.
Atomy se dvěma Rydbergovými elektrony mají zajímavé vlastnosti, přičemž jeden elektron se „točí“ kolem jádra ve větší vzdálenosti než druhý. Takové atomy se nazývají planetární .
Podle jedné z hypotéz se kulový blesk skládá z Rydbergovy látky [7] .

V roce 2009 se vědcům z univerzity ve Stuttgartu podařilo získat Rydbergovu molekulu[8] .

Radioastronomie

První experimentální data o Rydbergových atomech v radioastronomii získali v roce 1964 R. S. Sorochenko a kol . Při zaostření dalekohledu na mlhovinu Omega byla ve spektru radiové emise pocházející z této mlhoviny detekována emisní čára na vlnové délce λ ≃ 3,4 cm . Tato vlnová délka odpovídá přechodu mezi Rydbergovými stavy n ́ = 91 an = 90 ve spektru atomu vodíku [1] .

Poznámky

↑ 1 2 3 Delaunay N. B. Rydberg atoms // Soros Educational Journal , 1998, č. 4, s. 64-70
↑ 1 2 R. Heidemann a kol. Evidence for Coherent Collective Rydberg Excitation in the Strong Blockade Regime (anglicky) // Physical Review Letters : journal. - 2007. - Sv. 99 , č. 16 . — S. 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 (anglicky) // Physical Review Letters : journal. - 2000. - Sv. 85 , č. 10 . - S. 2208-2211 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.85.2208 . - . — arXiv : quant-ph/0004038 . — PMID 10970499 .
↑ A. Gaetan; Miroshnychenko, Yevhen; Wilk, Taťjana; Chotia, Amodsen; Viteau, Matthieu; Comparat, Daniel; Pilulka, Pierre; Browaeys, Antoine; Grangerová, Philippe. Pozorování kolektivní excitace dvou jednotlivých atomů v režimu Rydbergovy blokády (anglicky) // Nature Physics : journal. - 2009. - Sv. 5 , č. 2 . - str. 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. Pozorování Rydbergovy blokády mezi dvěma atomy // Nature Physics : journal . - 2009. - Sv. 5 , č. 2 . - str. 110-114 . doi : 10.1038 / nphys1178 . - . - arXiv : 0805.0758 .
↑ H. Weimer; Nízký, Roberte; Pfau, Tilman; Buchler, Hans Peter. Quantum Critical Behavior in Strongly Interacting Rydberg Gases (anglicky) // Physical Review Letters : journal. - 2008. - Sv. 101 , č. 25 . — S. 250601 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.101.250601 . - . - arXiv : 0806.3754 . — PMID 19113686 .
↑ Soudržnost v kulovém blesku (downlink)
↑ membrana.ru "Poprvé na světě byla získána Rydbergova molekula" (nepřístupný odkaz) . Získáno 24. dubna 2009. Archivováno z originálu 24. září 2010. (neurčitý)

Literatura

Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. a kol. Spektroskopie Rydbergových atomů při n ≅ 500 // Phys. Rev. Lett. 1987 sv. 59. S. 26.
Frey MT Hill SB. Smith KA. Dunning FB, Fabrikant II Studie rozptylu elektron-molekul při mikroelektronvoltových energiích pomocí velmi vysokých n Rydbergových atomů // Phys. Rev. Lett. 1995 sv. 75, č. 5. S. 810-813.
Sorochenko RL, Salomonovich AE Obří atomy ve vesmíru // Priroda. 1987. č. 11. S. 82.
Dalgarno A. Rydberg atomy v astrofyzice // Rydbergovy stavy atomů a molekul: Per. z angličtiny. / Ed. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir, 1985. S. 9.
Smirnov BM Vzrušené atomy. Moskva: Energoizdat, 1982. Ch. 6.

Odkazy

Delaunay N. B. Rydberg atoms // Soros Educational Journal , 1998, č. 4, s. 64-70
"Condensed Rydberg matter" , E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, článek z časopisu "Priroda" N1, 2001.
Rydberg Physics , Nikola Šibalić a Charles S Adams, IOP Publishing (2018)