Átomos de Rydberg

Átomos de Rydberg (llamados así por J. R. Rydberg ): átomos similares al hidrógeno y átomos de metales alcalinos , en los que el electrón externo se encuentra en un estado altamente excitado (hasta niveles n del orden de 1000). Para transferir un átomo de su estado fundamental a un estado excitado, se irradia con luz láser resonante o se inicia una descarga de RF. El tamaño de un átomo de Rydberg puede exceder el tamaño del mismo átomo en el estado fundamental en casi 10 6 veces para n = 1000 .

Propiedades de los átomos de Rydberg

Un electrón que gira en una órbita de radio r alrededor del núcleo, según la segunda ley de Newton, experimenta una fuerza

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

donde ( es la susceptibilidad dieléctrica ), e es la carga del electrón. $k=1/(4\pi \epsilon _{0})$ $\epsilon_0$

El momento orbital en unidades de ħ es

mvr=n\hbar.

De estas dos ecuaciones, obtenemos una expresión para el radio orbital de un electrón en el estado n :

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

La energía de enlace de tal átomo similar al hidrógeno es

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

donde Ry = 13,6 eV es la constante de Rydberg , y δ es el defecto de carga nuclear , que es insignificante para n grande. La diferencia de energía entre los niveles de energía n - th y ( n  + 1) -th es

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

El tamaño característico de un átomo r n y el período semiclásico típico de revolución de un electrón son

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

donde a B = 0.5⋅10 −10 m es el radio de Bohr y T 1 ~ 10 −16 s .

Parámetros de los primeros estados excitado y de Rydberg del átomo de hidrógeno [1]

Número cuántico principal , $norte$	Primer estado excitado $n=2$	estado de Rydberg , ${\ estilo de visualización n = 1000}$
Energía de enlace de un electrón en un átomo (potencial de ionización), eV	≃ 5	≃ 10 −5
Tamaño del átomo (radio de la órbita del electrón), m	~ 10 −10	~ 10 −4
Período orbital electrónico, s	~ 10 −16	~ 10 −7
Vida natural , s	~ 10 −8	~ 1

La longitud de onda de radiación del átomo de hidrógeno durante la transición de n ′ = 91 a n = 90 es de 3,4 cm [1] .

Bloqueo dipolar de los átomos de Rydberg

Cuando los átomos se excitan desde el estado fundamental al estado de Rydberg, ocurre un fenómeno interesante, llamado "bloqueo dipolar".

En un vapor atómico enrarecido, la distancia entre los átomos en el estado fundamental es grande y prácticamente no hay interacción entre los átomos. Sin embargo, tras la excitación de los átomos al estado de Rydberg, su radio orbital aumenta y alcanza un valor del orden de 1 μm. Como resultado, los átomos se "aproximan", la interacción entre ellos aumenta significativamente, lo que provoca un cambio en la energía de los estados de los átomos. ¿A qué conduce esto? Supongamos que solo un átomo del estado fundamental al estado de Rydberg puede ser excitado por un pulso de luz débil. Un intento de poblar el mismo nivel con otro átomo debido al “bloqueo dipolar” se vuelve obviamente imposible, ya que el estado de Rydberg del segundo átomo cambiará de energía debido a la interacción con el primer átomo y, por lo tanto, estará “fuera” de resonancia. con la frecuencia del fotón. [2] . $n^{2}$

El control coherente del bloqueo del dipolo de los átomos de Rydberg mediante luz láser los convierte en un candidato prometedor para la implementación práctica de una computadora cuántica . [3] Según la prensa científica, hasta 2009, el elemento de puerta de dos qubits , que es importante para la computación, no se implementó experimentalmente. Sin embargo, existen informes sobre la observación de la excitación colectiva y la interacción dinámica entre dos átomos [4] [5] y en muestras mesoscópicas [2] .

Los átomos de Rydberg que interactúan fuertemente se caracterizan por un comportamiento crítico cuántico , lo que garantiza un interés científico fundamental en ellos, independientemente de las aplicaciones [6] .

Direcciones de investigación y posibles aplicaciones

Los estudios relacionados con los estados de los átomos de Rydberg se pueden dividir condicionalmente en dos grupos: el estudio de los átomos mismos y el uso de sus propiedades para otros fines.

Áreas fundamentales de investigación:

A partir de varios estados con n grande , se puede componer un paquete de ondas, que estará más o menos localizado en el espacio. Si el número cuántico orbital también es grande, obtendremos una imagen casi clásica: una nube de electrones localizada gira alrededor del núcleo a una gran distancia de él.
Si el momento orbital es pequeño, entonces el movimiento de dicho paquete de ondas será casi unidimensional : la nube de electrones se alejará del núcleo y se acercará nuevamente. Este es un análogo de una órbita elíptica muy alargada en la mecánica clásica cuando se mueve alrededor del Sol.
Comportamiento de un electrón de Rydberg en campos eléctricos y magnéticos externos. Los electrones ordinarios, que están cerca del núcleo, sienten principalmente el fuerte campo electrostático del núcleo (del orden de 10 9 V/cm), mientras que los campos externos juegan el papel de solo pequeños aditivos para ellos. El electrón de Rydberg siente un campo del núcleo fuertemente debilitado (del orden de E 0 / n 4 ) y, por lo tanto, los campos externos pueden cambiar radicalmente el movimiento del electrón.
Los átomos con dos electrones Rydberg tienen propiedades interesantes, con un electrón "girando" alrededor del núcleo a una distancia mayor que el otro. Tales átomos se llaman planetarios .
Según una de las hipótesis, el rayo en bola consiste en la sustancia de Rydberg [7] .

En 2009, investigadores de la Universidad de Stuttgart lograron obtener una molécula de Rydberg[8] .

Radioastronomía

Los primeros datos experimentales sobre los átomos de Rydberg en radioastronomía fueron obtenidos en 1964 por R. S. Sorochenko y otros ( FIAN ) en un radiotelescopio de espejo de 22 metros diseñado para estudiar la radiación de objetos espaciales en el rango de frecuencia centimétrica. Al enfocar el telescopio en la Nebulosa Omega , en el espectro de emisión de radio proveniente de esta nebulosa, se detectó una línea de emisión en una longitud de onda de λ ≃ 3,4 cm . Esta longitud de onda corresponde a la transición entre los estados de Rydberg n ́ = 91 y n = 90 en el espectro del átomo de hidrógeno [1] .

Notas

↑ 1 2 3 Delaunay N. B. Rydberg atoms // Soros Educational Journal , 1998, No. 4, p. 64-70
↑ 1 2 R. Heidemann et al. Evidencia de excitación colectiva coherente de Rydberg en el régimen de bloqueo fuerte (inglés) // Cartas de revisión física : revista. - 2007. - vol. 99 , núm. 16 _ — Pág. 163601 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.99.163601 .
↑ D. Jaksch; JI Cirac; P. Zoller; SL Rolston; R. Côte; MD Luken. Puertas cuánticas rápidas para átomos neutros (inglés) // Cartas de revisión física : revista. - 2000. - vol. 85 , núm. 10 _ - Pág. 2208-2211 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.85.2208 . - . — arXiv : quant-ph/0004038 . —PMID 10970499 .
↑ A. Gaétan; Miroshnychenko, Yevhen; Wilk, Tatjana; Chotia, Amodsen; Viteau, Matthieu; Comparat, Daniel; Pillet, Pierre; Browaeys, Antoine; Granger, Felipe. Observación de la excitación colectiva de dos átomos individuales en el régimen de bloqueo de Rydberg (inglés) // Nature Physics : revista. - 2009. - Vol. 5 , núm. 2 . - P. 115-118 . doi : 10.1038 / nphys1183 . — . -arXiv : 0810.2960 . _
↑ E. Urbano; Johnson, TA; Henage, T.; Isenhower, L.; Yavuz, DD; Walker, T. G.; Saffman, M. Observación del bloqueo de Rydberg entre dos átomos // Nature Physics : revista . - 2009. - Vol. 5 , núm. 2 . - P. 110-114 . doi : 10.1038 / nphys1178 . - . -arXiv : 0805.0758 . _
↑ H. Weimer; Bajo, Roberto; Pfau, Tilman; Buchler, Hans Peter. Comportamiento crítico cuántico en gases Rydberg de interacción fuerte (inglés) // Cartas de revisión física : revista. - 2008. - Vol. 101 , núm. 25 . — Pág. 250601 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.101.250601 . - . -arXiv : 0806.3754 . _ — PMID 19113686 .
↑ Cohesión en rayos de bola (enlace descendente)
↑ membrana.ru "Por primera vez en el mundo se ha obtenido la molécula de Rydberg" (enlace inaccesible) . Consultado el 24 de abril de 2009. Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2010. (indefinido)

Literatura

Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. et al. Espectroscopia de Rydberg Atoms en n ≅ 500 // Phys. Rvdo. Letón. 1987 vol. 59. Pág. 26.
Frey MT Colina SB. Smith KA. Dunning FB, Fabrikant II Estudios de dispersión de moléculas de electrones en energías de microelectronvoltios utilizando átomos Rydberg de n muy alto // Phys. Rvdo. Letón. 1995 vol. 75, No. 5. P. 810-813.
Sorochenko RL, Salomonovich AE Átomos gigantes en el espacio // Priroda. 1987. Nº 11. S. 82.
Átomos de Dalgarno A. Rydberg en astrofísica // Estados de Rydberg de átomos y moléculas: Per. De inglés. / Ed. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir, 1985. S. 9.
Smirnov BM Átomos excitados. Moscú: Energoizdat, 1982. Cap. 6.

Enlaces

Delaunay N. B. Rydberg atoms // Soros Educational Journal , 1998, No. 4, p. 64-70
"Materia condensada de Rydberg" , E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, artículo de la revista "Priroda" N1, 2001.
Rydberg Physics , Nikola Šibalić y Charles S Adams, IOP Publishing (2018)