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).
Электрон, вращающийся на орбите радиуса r вокруг ядра, по второму закону Ньютона испытывает силу
где ( — диэлектрическая восприимчивость), e — заряд электрона.
Орбитальный момент в единицах ħ равен
Из этих двух уравнений получим выражение для орбитального радиуса электрона, находящегося в состоянии n:
Энергия связи такого водородоподобного атома равна
где Ry = 13,6 эВ есть постоянная Ридберга, а δ — дефект заряда ядра, который при больших n несущественен. Разница энергий между n-м и (n + 1)-м уровнями энергии равна
Характерный размер атома rn и типичный квазиклассический период обращения электрона равны
где aB = 0,5⋅10−10 м — боровский радиус, а T1 ~ 10−16 с.
Главное квантовое число, | Первое возбуждённое состояние, |
Ридберговское состояние, |
---|---|---|
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].
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 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, так как ридберговское 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 экспериментально 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]
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:
В 2009 году исследователями из университета Штутгарта удалось получить Ридберговскую молекулу[8].
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].
|author-separator=
(справка)|author-separator=
(справка)|author-separator=
(справка)|author-separator=
(справка)Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .