A fizikusok Rydberg-polaronokat láttak a Bose-gázban. Jahn-Teller fémek

Terv:

1 A Rydberg atomok tulajdonságai
- 1.1 A Rydberg atomok dipólus blokádja
2 A kutatás irányai és lehetséges alkalmazások

Bevezetés

Rydberg atomok(J. R. Rydberg tiszteletére elnevezve) - alkálifém atomok, amelyekben a külső elektron erősen gerjesztett állapotban van (szintig n ~ 100). Ahhoz, hogy egy atomot alapállapotból gerjesztett állapotba vigyünk át, rezonáns lézerfénnyel sugározzuk be, vagy rádiófrekvenciás kisülést indítunk el. Egy Rydberg-atom mérete szignifikánsan nagyobb, mint ugyanennek az atomnak az alapállapotában, majdnem 10 000-szerese n=100 esetén (lásd az alábbi táblázatot).

1. Rydberg atomok tulajdonságai

sugarú pályán forgó elektron r az atommag körül Newton második törvénye szerint erőt fejt ki:

Ahol k= 1/(4πε 0), e- elektrontöltés.

Keringési impulzus mértékegységben ħ egyenlő:

Ebből a két egyenletből megkapjuk az „n” állapotú elektron pályasugarának kifejezését.

Rubídium atom lézeres gerjesztésének sémája Rydberg állapotba

Egy ilyen hidrogénszerű atom kötési energiája egyenlő

ahol Ry = 13,6 eV a Rydberg-állandó, és δ nukleáris töltéshiba, amely nagy n jelentéktelen. Energia különbség között n-m és n+1-edik energiaszint megközelítőleg egyenlő

Egy atom jellemző mérete r nés az elektron tipikus félklasszikus forgási periódusa egyenlő

Ahol a B = 0,5×10 −10 m a Bohr-sugár, és T 1 ~ 10 −16 s.

Hasonlítsuk össze a hidrogénatom alap- és Rydberg-állapotainak néhány számát.

1.1. A Rydberg atomok dipólus blokádja

Amikor az atomokat az alapállapotból a Rydberg állapotba gerjesztjük, egy érdekes jelenség lép fel, az ún dipólus blokád. Egy töltött atompárban az alapállapotban lévő atomok közötti távolság nagy, és gyakorlatilag nincs kölcsönhatás az atomok között. Ha azonban az atomokat Rydberg állapotba gerjesztjük, pályasugaruk növekszik n 2 ~1 µm-ig. Ennek eredményeként az atomok „közelebb kerülnek”, a köztük lévő kölcsönhatás jelentősen megnő, ami eltolódást okoz az atomok állapotának energiájában. Mihez vezet ez? Tegyük fel, hogy egy gyenge fényimpulzus csak egy atomot tudott az alapállapotból a Ryberg állapotba gerjeszteni. Nyilvánvalóan lehetetlenné válik az a kísérlet, hogy ugyanazt a szintet egy másik atommal benépesítsék a „dipólusblokád” miatt.

2. A kutatás irányai és lehetséges alkalmazások

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

A kutatás alapvető területei:

Több államból nagy nössze lehet állítani egy hullámcsomagot, amely többé-kevésbé a térben lokalizált lesz. Ha az orbitális kvantumszám is nagy, akkor szinte klasszikus képet kapunk: egy lokalizált elektronfelhő forog az atommag körül tőle nagy távolságra.
Ha kicsi az orbitális lendület, akkor egy ilyen hullámcsomag mozgása az lesz kvázi egydimenziós: Az elektronfelhő eltávolodik az atommagtól, és ismét közeledik hozzá. Ez egy nagyon megnyúlt elliptikus pálya analógja a klasszikus mechanikában, amikor a Nap körül mozog.
A Rydberg-elektron viselkedése külső elektromos és mágneses térben. Az atommaghoz közel elhelyezkedő közönséges elektronok főleg az atommag erős elektrosztatikus terét érzékelik (nagyságrendileg 10 9 V/cm), és a külső mezők számukra csak kis adalékok szerepét töltik be. A Rydberg elektron erősen legyengült nukleáris mezőt érzékel. E ~ E 0 /n 4), ezért a külső mezők radikálisan torzíthatják 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 nevezzük planetáris.
Az egyik hipotézis szerint a gömbvillám Rydberg-anyagból áll.

A Rydberg-atomok szokatlan tulajdonságait már használják

Kvantumrádiódetektorok: A Rydberg atomok akár egyetlen fotont is képesek érzékelni a rádió tartományában, ami messze meghaladja a hagyományos antennák képességeit.
A Rydberg-elektron lépcsőzetes energiaspektruma „energiaegyensúlyként” szolgál, amellyel pontosan mérhető az energiák.
Rydberg atomok a csillagközi közegben is megfigyelhetők. Nagyon érzékeny nyomásérzékelők, amelyeket maga a természet hozott létre számunkra.

2009-ben a Stuttgarti Egyetem kutatóinak sikerült megszerezniük a Rydberg-molekulát.

Megjegyzések

W. Demotroder Lézerspektroszkópia: alapfogalmak és műszerek. - Springer, 2009. - 924 p. - ISBN 354057171X
R. Heidemann et al. (2007). „Bizonyíték a koherens kollektív Rydberg-gerjesztésre az erős blokádrendszerben – link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601”. Fizikai áttekintő levelek 99 (16): 163601. DOI:10.1103/PhysRevLett.99.163601 – dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.163601. arΧiv:quant-ph/0701120 - arxiv.org/abs/quant-ph/0701120.
Kohézió a gömbvillámban – scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
membrana.ru „A világon először sikerült Rydberg-molekulát szerezni” - www.membrana.ru/lenta/?9250

Alkáli fémek, amelyekben a külső elektron erősen gerjesztett állapotban van (szintig n körülbelül 1000). Ahhoz, hogy egy atomot alapállapotból gerjesztett állapotba vigyünk át, rezonáns lézerfénnyel sugározzuk be, vagy rádiófrekvenciás kisülést indítunk el. Egy Rydberg-atom mérete közel 106-szor haladhatja meg ugyanazon atom alapállapotú méretét. n = 1000 (lásd az alábbi táblázatot).

A Rydberg atomok tulajdonságai

sugarú pályán forgó elektron r az atommag körül Newton második törvénye szerint erőt fejt ki

ahol ( a dielektromos szuszceptibilitás), e- elektrontöltés.

Keringési impulzus mértékegységben ħ egyenlő

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

Rubídium atom lézeres gerjesztésének sémája Rydberg állapotba.

Egy ilyen hidrogénszerű atom kötési energiája egyenlő

Ahol Ry= 13,6 eV a Rydberg állandó, és δ - nukleáris töltéshiba, amely nagy n jelentéktelen. Energia különbség között n-th és n+1 th energiaszint megközelítőleg egyenlő

Egy atom jellemző mérete r nés az elektron tipikus félklasszikus forgási periódusa egyenlő

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

főkvantumszám,	Első izgatott állapot,	Rydbergovskoe állapot,
Az elektron kötési energiája az atomban (ionizációs potenciál), eV	≃ 5	≃ 10 −5
Atomméret (az elektronpálya sugara), m	~ 10 −10	~ 10 −4
Egy elektron keringési periódusa pályán, s	~ 10 −16	~ 10 −7
Természetes élettartam, s	~ 10 −8	~ 1

A hidrogénatom sugárzásának hullámhossza az átmenet során n′ = 91 tovább n = 90 egyenlő 3,4 cm-rel

A Rydberg atomok dipólus blokádja

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

Egy ritkított atompárban az alapállapotban lévő atomok közötti távolság nagy, az atomok között gyakorlatilag nincs kölcsönhatás. Ha azonban az atomokat Rydberg állapotba gerjesztjük, pályasugaruk megnő, és eléri az 1 μm nagyságrendű értéket. Ennek eredményeként az atomok „közelebb kerülnek”, a köztük lévő kölcsönhatás jelentősen megnő, ami eltolódást okoz az atomok állapotainak energiájában. Mihez vezet ez? Tegyük fel, hogy egy gyenge fényimpulzus csak egy atomot tudott az alapállapotból a Ryberg állapotba gerjeszteni. Nyilvánvalóan lehetetlenné válik az a kísérlet, hogy ugyanazt a szintet egy másik atommal benépesítsék a „dipólus blokád” miatt.

A kutatás irányai és lehetséges alkalmazások

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

A kutatás alapvető területei:

A Rydberg-atomok szokatlan tulajdonságait már használják

2009-ben a kutatóknak sikerült megszerezniük a Rydberg-molekulát (Angol) orosz .

Rádiócsillagászat

Az első kísérleti adatokat a Rydberg-atomokról a rádiócsillagászatban 1964-ben R. S. Sorochenko és munkatársai (FIAN) szerezték egy 22 méteres visszaverő rádióteleszkópon, amelyet a kozmikus objektumok sugárzásának tanulmányozására hoztak létre a centiméteres frekvenciatartományban. Amikor a távcsövet az Omega-köd felé irányították, az ebből a ködből érkező rádiósugárzás spektrumában egy emissziós vonalat észleltek λ ≃ 3,4 cm hullámhosszon. Ez a hullámhossz a Rydberg-állapotok közötti átmenetnek felel meg n′ = 91És n = 90 a hidrogénatom spektrumában.

Megjegyzések

Irodalom

Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. et al. Rydberg-atomok spektroszkópiája n ≅ 500-nál // Phys. Fordulat. Lett. 1987. évf. 59. 26. o.
Frey M. T. Hill S. B. Smith K. A. Dunning F. B., Fabrikant I. I. Az elektronmolekula szórásának vizsgálata mikroelektronvoltos energiáknál nagyon magas n-es Rydberg atomok felhasználásával // Phys. Fordulat. Lett. 1995. évf. 75, 5. sz. P. 810-813.
Sorochenko R.L., Salomonovich A.E. Óriás atomok az űrben // Természet. 1987. 11. szám 82. o.
Dalgarno A. Rydberg atomok az asztrofizikában // Rydberg atomok és molekulák állapotai: Transl. angolról / Szerk. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir. 1985. 9. o.
Smirnov B. M. Gerjesztett atomok. M.: Energoizdat, 1982. Ch. 6.

Linkek

Delone N. B. Rydberg atomok // Soros oktatási folyóirat, 1998, 4. sz., p. 64-70
„Sűrített Rydberg-anyag”, E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, cikk a „Nature” folyóiratból, N1, 2001.

Wikimédia Alapítvány. 2010.

A Stuttgarti Egyetem Vera Bendkowsky vezette nemzetközi tudóscsoportja végre egy egzotikus molekulához jutott, amelynek létezéséről eddig csak elméleti vita folyt. A felfedezés új támpontot ad a kvantumelmélethez, amely leírja az elektronok viselkedését szokatlan körülmények között.

Az új molekulát két rubídium atomból „készítették”, amelyek közül az egyik egy közönséges, a másik pedig egy Rydberg atom volt. Ez azt jelenti, hogy a külső héjában lévő elektronok egyike erősen gerjesztett állapotban volt.

A Rydberg atomok maguk is szokatlan objektumok. Ezeket akkor kapják, ha az elektronhéjat egy bizonyos hullámhosszú lézersugárnak teszik ki. Leegyszerűsítve: a Rydberg-atom egyik elektronja sokkal, de sokkal nagyobb távolságra távolodik el az atommagtól, mint bármely más atom elektronjai, de továbbra is kapcsolatban áll vele.

Chris Greene, a Colorado Egyetem elméleti fizikusa és számos kollégája már az 1970-es években megjósolta, hogy Rydberg és a normál atomok közötti kölcsönhatások lehetségesek molekulák kialakulásához. De mivel az ezt a kölcsönhatást biztosító elektron rendkívül távol van anyaatomjától, a keletkező kémiai kötés szokatlanul gyenge, így normál körülmények között Rydberg-molekula egyszerűen nem létezhet.

Még 2000-ben egy kutatócsoport, amelyben Chris Green is volt, kiszámította egy kétatomos Rydberg rubídiummolekula konfigurációját, és trilobitnak nevezte, mivel a külső elektronhéj grafikus ábrázolása hasonló az ősi lényhez. A bal oldali ábra ezt a térbeli grafikont mutatja, amely egy külső vegyértékelektron megtalálásának valószínűségét mutatja a tér egy adott pontjában, a jobb oldalon pedig maga a trilobit látható (Greene, Dickinson, Sadeghpour illusztrációja, fotó Coloradóból). edu).

Sok évbe telt az atomok abszolút nullához közeli hőmérsékletre való lehűtésének technikájának tökéletesítése, mire egy ilyen egzotikus molekula létrejötte végre lehetségessé vált.

Pontosan ezt tették Bendkowski és kollégái. Vera elmagyarázza: „Az atommagoknak megfelelő távolságra kell lenniük egymástól, hogy az elektronmezők „megtalálják” egymást, és elkezdjenek kölcsönhatásba lépni. Ultrahideg rubídiumfelhőt használtunk, amelyben a gázatomok a hőmérséklet csökkenésével közelebb kerültek egymáshoz.

Lézer segítségével a tudósok ezen atomok egy részét Rydberg állapotba vitték át. A nullához nagyon közeli hőmérsékleten ez a „kritikus távolság” körülbelül 100 nanométer volt.

Ez a távolság két molekulát alkotó atom között körülbelül 1000-szer nagyobb a szokásosnál (tíz és több száz pikométer). Nem meglepő, hogy a Rydberg-molekulák még abszolút nullán is nagyon instabilak. A kísérletben kapott leghosszabb élettartamú 18 mikroszekundumig tartott.

Még 1934-ben a nagy Fermi megjósolta, hogy ha az egyik atom találkozik egy „vándorló” elektronnal, akkor képes lesz kölcsönhatásba lépni vele. De Fermi nem ment el odáig, hogy ilyen szupergyenge kötés segítségével molekulát alkosson – magyarázza Green.

A kísérlet részletei megtalálhatók a

A tudomány történetében először a Harvard-MIT Ultrahideg Atomok Központjának tudóscsoportja Mikhail Lukin és Vladan Vuletic professzorok vezetésével arra késztette a fény fotonjait, hogy kölcsönhatásba lépjenek egymással és kommunikáljanak egymással, így anyagmolekulákat alkotva. olyan anyagot képezve, amely korábban csak elméletben létezett. A felfedezés a fény természetére vonatkozó több mint száz éves emberi tudással dacolva született, és cáfolja azt az állítást, hogy a fotonok semleges, súlytalan részecskék, amelyek nem tudnak kölcsönhatásba lépni egymással.

„A képződött fotonmolekulák viselkedése eltér a természetes eredetű és mesterséges eredetű fény viselkedésétől, a lézerfény sugaraitól, amelyekből készültek” – mondja Lukin professzor. minket a sci-fi-ből - a lovagok fénykardja - a Jedik a Star Warsból.

"A fény legtöbb általunk ismert tulajdonságai azt jelzik, hogy a fotonok súlytalanok és nem lépnek kölcsönhatásba egymással; két lézersugár szabadon halad át egymáson anélkül, hogy bármiféle változáson menne keresztül. De sikerült létrehoznunk egy különleges környezetet, amely egyedi Olyan körülmények között, amelyekben a fotonok olyan erős kölcsönhatásba lépnek egymással, mintha jelentős tömegük lenne, aminek köszönhetően egyesülnek valami olyasmivé, amit foton molekuláknak neveztünk , de gyakorlatilag senki sem figyelte meg előttünk” – mondja Lukin: „Természetesen nem nagyon helyes a fotonanyag új formáját a fénykardokkal összehasonlítani , ami a fizikai síkon olyan effektusok formájában nyilvánul meg, amelyeket a fénykardokkal vívott harcokban láthattunk.

Ahhoz, hogy a fény súlytalan fotonjait kölcsönhatásba kényszerítsék, a tudósoknak nem kellett a Jedi Erő segítségét igénybe venniük. Ehelyett egy olyan installációt hoztak létre, amely egy sor egyedi körülményt és környezeti jellemzőt teremtett. Az egész úgy kezdődött, hogy egy vákuumkamrát szivattyúztak rubídium atomokból álló gázzal, amelyeket aztán lézerfénnyel hűtöttek le több fokkal az abszolút nulla feletti hőmérsékletre. Ezután a tudósok gyenge impulzusokat, szinte egyetlen fényfotonokat kezdtek küldeni egy másik lézerről a lehűlt rubídium atomok felhőjének közepébe.

Az atomfelhőbe belépő fényfotonok gerjesztik ezeket az atomokat, így energiájuk egy részét adják nekik, és élesen lelassítják mozgásukat. Ez az energia az eredeti foton sebességével kerül át atomról atomra, és végül ez az energia az eredeti fotonnal egyidejűleg elhagyja az atomfelhőt.

„Amikor egy foton elhagyja a felhőt, minden jellemzője ugyanaz marad, mint a belépés előtt” – mondja Lukin professzor. „Hasonló hatást figyelünk meg, amikor a fény egy edényben megtörik a vízzel, és így a víz egy részét adja energia , és ebben a pillanatban van egy bizonyos anyag, amely három komponensből áll, a fényből, az energiából és az anyagból. De amikor a fény elhagyja a vizet, a fény és a rubídium atomok felhője esetén minden pontosan ugyanez történik, de a hatás sokkal erősebben jelentkezik, a fény kisebb sebességre lassul, és több energiát ad át az anyagnak, mint a fény és a víz.

Amikor a tudósok egyszerre nem egy, hanem egyszerre több fotont kezdtek küldeni a rubídiumatomok felhőjének mélyére, felfedezték, hogy ezek a fotonok egyetlen formációba, egy fotonikus molekulába csoportosulva hagyták el a felhőt. Ebben az esetben ez a Rydberg blokád hatásának köszönhető. Ez a hatás határozza meg, hogy amikor a gázfelhő egyik atomját kívülről energiaellátással gerjesztik valamilyen energiaszintre, a szomszédos atomok nem gerjeszthetők ugyanarra a szintre. A gyakorlatban pedig ez azt jelenti, hogy amikor két vagy több foton szinkronban belép egy atomfelhőbe, az egyik foton energiájával gerjeszti az első atomot, amelyen találkozik, lelassítva annak mozgását. A Rydberg blokád miatt a második foton még más atomoknak sem tud energiát átadni, és továbbra is ugyanolyan sebességgel mozog, megelőzve az első fotont. Amikor a második foton elér egy, a Rydberg-blokád befolyásától mentes zónát, energiája egy részét is átadja annak az atomnak, amellyel találkozik, és lelassítja a mozgását. Az eredmény két lassú foton és két energiahullám szinte szinkron mozgása, amelyek folyamatosan húzzák és tolják egymást.

"Ezt a fotonok közötti kölcsönhatást a felhőben lévő atomok kölcsönhatása határozza meg" - mondja Lukin. "Ez azt eredményezi, hogy a fotonok egyetlen molekulaként viselkednek, és amikor a fotonok elhagyják a felhőt, a legtöbb esetben továbbra is fotonként viselkednek. molekula."

A tudósok által a fényfotonok kölcsönhatásán alapuló hatás mindenképpen érdekes és szokatlan. De számos gyakorlati haszna van. „Sokak számára úgy tűnhet, hogy csak játszunk, ugyanakkor feszegetjük az emberi tudás határait” – magyarázza Lukin. „A fény fotonjai továbbra is a kvantuminformáció továbbításának legjobb eszközei A kvantumszámítástechnika és a kvantumkommunikációs technológiák fejlődésének egyik akadálya az volt, hogy nem tudtuk elérni, hogy a fotonok kölcsönhatásba lépjenek egymással.

A jövőben a tudósok az általuk kifejlesztett technológiával a kristályokhoz hasonló komplex térszerkezeteket hoznak létre, amelyek fotonikus molekulákból, pl. tiszta fénytől. „Ez lehetővé teszi számunkra egy teljesen anyagtalan kvantumoptikai rendszer megvalósítását, amely alapvető logikai elemeket tartalmaz, amelyek kvantuminformáció feldolgozására és tárolására használhatók” – mondja Lukin. „Természetesen ennek megvalósításához valamit újra kell csinálnunk és javítanunk kell, különben amit most elértünk, ez csak az új fizikai elvek hatékonyságának bizonyítéka."

„Még nem tudjuk, miként lehet hasznos felfedezésünk, ez csak a jövőben válik ismertté, de ez egy új típusú anyag, vagy inkább annak új formája, és reméljük, hogy a fotonikus molekulák tulajdonságainak további tanulmányozása következik. a fotonikus kristályok pedig rámutatnak bennünket gyakorlati alkalmazásuk területeire."