Rydberg atomok

Rydberg atomok ( J. R. Rydbergről elnevezett ) - hidrogénszerű atomok és alkálifém atomok , amelyekben a külső elektron erősen gerjesztett állapotban van ( 1000-es nagyságrendű n szintig ). Ahhoz, hogy egy atomot alapállapotból gerjesztett állapotba vigyünk át, rezonáns lézerfénnyel sugározzuk be, vagy RF kisülést indítunk el. Egy Rydberg atom mérete n = 1000 esetén közel 106 - szor haladhatja meg ugyanazon atom méretét alapállapotban .

A Rydberg atomok tulajdonságai

Az atommag körül egy r sugarú pályán keringő elektron Newton második törvénye szerint erőt fejt ki.

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

ahol ( a dielektromos szuszceptibilitás ), e az elektrontöltés. $k=1/(4\pi \epsilon _{0})$ $\epsilon_0$

A keringési impulzus ħ egységekben van

mvr=n\hbar .

Ebből a két egyenletből megkapjuk az n állapotú elektron pályasugarának kifejezését :

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

Az ilyen hidrogénszerű atom kötési energiája az

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

ahol Ry = 13,6 eV a Rydberg-állandó , δ pedig a magtöltési hiba , ami jelentéktelen nagy n esetén . Az n -edik és ( n  + 1) -edik energiaszint közötti energiakülönbség az

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

Az atom jellemző mérete r n és az elektron tipikus félklasszikus forgási periódusa

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

ahol a B = 0,5⋅10 -10 m a Bohr-sugár , és T 1 ~ 10 -16 s .

A hidrogénatom első gerjesztett és Rydberg állapotának paraméterei [1]

főkvantumszám , $n$	Első izgatott állapot $n=2$	Rydberg állam, $n=1000$
Elektron kötési energiája atomban (ionizációs potenciál), eV	≃ 5	≃ 10 -5
Atom mérete (elektronpálya sugara), m	~ 10 −10	~ 10 −4
Elektron keringési periódusa, s	~ 10 −16	~ 10 −7
Természetes élettartam , s	~ 10 −8	~ 1

A hidrogénatom sugárzási hullámhossza az n ′ = 91 és n = 90 közötti átmenet során 3,4 cm [1] .

Rydberg atomok dipólus blokádja

Amikor az atomokat az alapállapotból a Rydberg állapotba gerjesztik, egy érdekes jelenség lép fel, az úgynevezett "dipólusblokád".

Egy ritkított atomgőzben az alapállapotban lévő atomok közötti távolság nagy, az atomok között gyakorlatilag nincs kölcsönhatás. Az atomok Rydberg állapotba való gerjesztésekor azonban pályasugaruk megnő, és eléri az 1 μm nagyságrendű értéket. Ennek eredményeként az atomok "közelednek", a köztük lévő kölcsönhatás jelentősen megnő, ami eltolódást okoz az atomok állapotainak energiájában. Mihez vezet ez? Tegyük fel, hogy az alapállapotból a Rydberg állapotba csak egy atom gerjeszthető gyenge fényimpulzussal. Nyilvánvalóan lehetetlenné válik az a kísérlet, hogy a „dipólus blokád” miatt ugyanazt a szintet egy másik atommal benépesítsék, mivel a második atom Rydberg-állapota megváltoztatja az energiát az első atommal való kölcsönhatás következtében, és ezért „kiesik” a rezonancián. a foton frekvenciájával. [2] . $n^{2}$

A Rydberg atomok dipólus blokádjának lézerfénnyel történő koherens szabályozása ígéretes jelöltté teszi őket egy kvantumszámítógép gyakorlati megvalósításához . [3] A tudományos sajtó szerint 2009-ig kísérletileg nem valósították meg a számítástechnika szempontjából fontos kétkbites kapuelemet . Vannak azonban jelentések két atom közötti kollektív gerjesztés és dinamikus kölcsönhatás megfigyeléséről [4] [5] és mezoszkópikus mintákban [2] .

Az erősen kölcsönható Rydberg-atomokat kvantumkritikus viselkedés jellemzi , ami az alkalmazásoktól függetlenül biztosítja irántuk az alapvető tudományos érdeklődést [6] .

A kutatás irányai és lehetséges alkalmazások

Az atomok Rydberg-állapotaival kapcsolatos vizsgálatok feltételesen két csoportra oszthatók: maguknak az atomoknak a vizsgálatára és tulajdonságaik más célokra való felhasználására.

A kutatás alapvető területei:

Több nagy n -es állapotból összeállítható egy hullámcsomag, amely többé-kevésbé a térben lokalizálódik. Ha a pályakvantumszám is nagy, akkor szinte klasszikus képet kapunk: egy lokalizált elektronfelhő forog az atommag körül tőle nagy távolságra.
Ha a keringési impulzus kicsi, akkor egy ilyen hullámcsomag mozgása kvázi egydimenziós lesz: az elektronfelhő eltávolodik az atommagtól, és ismét megközelíti azt. Ez egy nagyon megnyúlt elliptikus pálya analógja a klasszikus mechanikában, amikor a Nap körül mozog.
A Rydberg-elektron viselkedése külső elektromos és mágneses térben. A közönséges, az atommaghoz közeli elektronok elsősorban az atommag erős (10 9 V/cm nagyságrendű) elektrosztatikus terét érzik, míg a külső mezők csak kis adalékok szerepét töltik be számukra. A Rydberg-elektron az atommag erősen legyengült mezőjét érzi ( E 0 / n 4 nagyságrendben ), ezért a külső mezők radikálisan megváltoztathatják az elektron mozgását.
A két Rydberg-elektronnal rendelkező atomok érdekes tulajdonságokkal rendelkeznek, az egyik elektron nagyobb távolságra "pörög" az atommag körül, mint a másik. Az ilyen atomokat planetárisnak nevezzük .
Az egyik hipotézis szerint a gömbvillám Rydberg anyagból áll [7] .

2009-ben a Stuttgarti Egyetem kutatóinak sikerült megszerezniük egy Rydberg-molekulát[8] .

Rádiócsillagászat

Az első kísérleti adatokat a Rydberg-atomokról a rádiócsillagászatban R. S. Sorochenko és munkatársai ( FIAN ) szerezték 1964-ben egy 22 méteres tükör-rádióteleszkópon, amelyet az űrobjektumok sugárzásának tanulmányozására terveztek a centiméteres frekvenciatartományban. Amikor a teleszkópot az Omega-ködre fókuszáltuk , az ebből a ködből érkező rádiósugárzás spektrumában egy emissziós vonalat észleltünk λ ≃ 3,4 cm hullámhosszon . Ez a hullámhossz megfelel az n ́ = 91 és n = 90 Rydberg állapotok közötti átmenetnek a hidrogénatom spektrumában [1] .

Jegyzetek

↑ 1 2 3 Delaunay N. B. Rydberg atomok // Soros Educational Journal , 1998, 4. szám, p. 64-70
↑ 1 2 R. Heidemann et al. Evidence for Coherent Collective Rydberg Excitation in the Strong Blockade Regime (angol) // Physical Review Letters : Journal. - 2007. - Vol. 99 , sz. 16 . — P. 163601 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.99.163601 .
↑ D. Jaksch; JI Cirac; P. Zoller; S. L. Rolston; R. Côte; MD Lukin. Gyors kvantumkapuk semleges atomokhoz (angol) // Physical Review Letters : Journal. - 2000. - Vol. 85 , sz. 10 . - P. 2208-2211 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.85.2208 . - . — arXiv : quant-ph/0004038 . — PMID 10970499 .
↑ A. Gaetan; Mirosnyicsenko, Jevhen; Wilk, Tatjana; Chotia, Amodsen; Viteau, Matthieu; Compart, Daniel; Pillet, Pierre; Browaeys, Antoine; Granger, Philippe. Két egyedi atom kollektív gerjesztésének megfigyelése a Rydberg blokád rendszerében (angol) // Nature Physics : Journal. - 2009. - 1. évf. 5 , sz. 2 . - 115-118 . o . doi : 10.1038 / nphys1183 . — . - arXiv : 0810.2960 .
↑ E. Urban; Johnson, T. A.; Henage, T.; Isenhower, L.; Yavuz, D. D.; Walker, T. G.; Saffman, M. A Rydberg-blokád megfigyelése két atom között // Nature Physics : Journal . - 2009. - 1. évf. 5 , sz. 2 . - 110-114 . o . doi : 10.1038 / nphys1178 . - . - arXiv : 0805.0758 .
↑ H. Weimer; Low, Robert; Pfau, Tilman; Buchler, Hans Peter. Quantum Critical Behavior in Strongly Interacting Rydberg Gases (angol) // Physical Review Letters : Journal. - 2008. - Vol. 101 , sz. 25 . — P. 250601 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.101.250601 . - . - arXiv : 0806.3754 . — PMID 19113686 .
↑ Kohézió a gömbvillámban (lefelé irányuló kapcsolat)
↑ membrana.ru "A világon először sikerült megszerezni a Rydberg-molekulát" (hozzáférhetetlen link) . Letöltve: 2009. április 24. Az eredetiből archiválva : 2010. szeptember 24.. (határozatlan)

Irodalom

Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. et al. Rydberg-atomok spektroszkópiája n ≅ 500-nál // Phys. Fordulat. Lett. 1987. évf. 59. 26. o.
Frey MT Hill SB. Smith KA. Dunning FB, Fabrikant II. Tanulmányok az elektronmolekula szórásáról mikroelektronvoltos energiáknál nagyon magas n-es Rydberg atomok felhasználásával // Phys. Fordulat. Lett. 1995. évf. 75, 5. sz. P. 810-813.
Sorochenko RL, Salomonovich AE Óriás atomok az űrben // Priroda. 1987. No. 11. S. 82.
Dalgarno A. Rydberg atomok az asztrofizikában // Rydberg atomok és molekulák állapotai: Per. angolról. / Szerk. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir, 1985. S. 9.
Smirnov BM Gerjesztett atomok. Moszkva: Energoizdat, 1982. Ch. 6.

Linkek

Delaunay N. B. Rydberg atomok // Soros Educational Journal , 1998, 4. sz., p. 64-70
"Sűrített Rydberg-anyag" , E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, cikk a "Priroda" N1 folyóiratból, 2001.
Rydberg Physics , Nikola Šibalić és Charles S Adams, IOP Publishing (2018)