Физичарите виделе Ридберг поларони во гасот Бозе. Jahn-Teller метали

План:

1 Својства на атомите на Ридберг
- 1.1 Диполна блокада на атомите на Ридберг
2 Насоки на истражување и можни апликации

Вовед

Рајдберг атоми(именуван во чест на J.R. Rydberg) - атоми на алкални метали во кои надворешниот електрон е во високо возбудена состојба (до нивоа n ~ 100). За да се пренесе атом од основната состојба во возбудена состојба, тој се озрачува со резонантна ласерска светлина или се иницира празнење на радиофреквенција. Големината на атом Ридберг е значително поголема од големината на истиот атом во основната состојба за речиси 10.000 пати за n=100 (види табела подолу).

1. Својства на атомите на Ридберг

Електрон што ротира во орбита со радиус роколу јадрото, според вториот Њутнов закон, тој доживува сила:

Каде к= 1/(4πε 0), д- електронски полнеж.

Орбитален импулс во единици ħ е еднакво на:

Од овие две равенки добиваме израз за орбиталниот радиус на електрон во состојба „n“.

Шема на ласерско побудување на атом на рубидиум во Ридберговата состојба

Енергијата на врзување на таков атом сличен на водород е еднаква на

каде што Ry = 13,6 eV е Ридберговата константа, и δ дефект на нуклеарно полнење, кој на слобода nнезначителен. Разликата во енергијата помеѓу n-м и n+1-ти нивоа на енергија е приближно еднаква на

Карактеристична големина на атомот r nи типичниот полукласичен период на револуција на електронот се еднакви

Каде a B = 0,5×10 −10 mе Боровиот радиус и Т 1 ~ 10 −16 с.

Ајде да споредиме некои бројки на земјата и Ридберг состојби на атомот на водород.

1.1. Диполна блокада на атомите на Ридберг

Кога атомите се возбудуваат од основната состојба до состојбата на Ридберг, се јавува интересен феномен, наречен блокада на дипола.Во наелектризираниот атомски пар, растојанието помеѓу атомите во основната состојба е големо и практично нема интеракција помеѓу атомите. Меѓутоа, кога атомите се возбудени во Ридберговата состојба, нивниот орбитален радиус се зголемува за n 2 до ~ 1 µm. Како резултат на тоа, атомите „се приближуваат“, интеракцијата меѓу нив значително се зголемува, што предизвикува промена на енергијата на состојбите на атомите. До што води ова? Да претпоставиме дека слабиот светлосен пулс може да возбуди само еден атом од основната состојба до состојбата на Рајберг. Обидот да се насели истото ниво со друг атом поради „диполната блокада“ станува очигледно невозможен.

2. Истражувачки насоки и можни апликации

Истражувањата поврзани со Ридберговите состојби на атомите можат да се поделат во две групи: проучување на самите атоми и употреба на нивните својства за други цели.

Основни области на истражување:

Од неколку држави со големи nможно е да се состави бран пакет кој ќе биде повеќе или помалку локализиран во просторот. Ако орбиталниот квантен број е исто така голем, тогаш ќе добиеме речиси класична слика: локализиран електронски облак ротира околу јадрото на големо растојание од него.
Ако орбиталниот импулс е мал, тогаш движењето на таков бран пакет ќе биде квази-еднодимензионален: Електронскиот облак ќе се оддалечи од јадрото и повторно ќе му се приближи. Ова е аналог на високо издолжена елипсовидна орбита во класичната механика кога се движите околу Сонцето.
Однесување на електрон Ридберг во надворешни електрични и магнетни полиња. Обичните електрони лоцирани блиску до јадрото главно го чувствуваат силното електростатско поле на јадрото (по редослед на 10 9 V/cm), а надворешните полиња за нив ја играат улогата на само мали адитиви. Електронот Ридберг чувствува силно ослабено нуклеарно поле ( E ~ E 0 /n 4), и затоа надворешните полиња можат радикално да го нарушат движењето на електронот.
Атомите со два Ридберг електрони имаат интересни својства, при што еден електрон „се врти“ околу јадрото на поголемо растојание од другиот. Таквите атоми се нарекуваат планетарен.
Според една хипотеза, топчестата молња се состои од материја Ридберг.

Необичните својства на атомите на Ридберг веќе се користат

Квантни радио детектори: атомите на Рајдберг можат да откријат дури и еден фотон во опсегот на радио, што е далеку над можностите на конвенционалните антени.
Степениот енергетски спектар на електронот Ридберг служи како „енергетски биланс“ што може да се користи за прецизно мерење на енергиите.
Атомите на Рајдберг се забележани и во меѓуѕвездената средина. Тие се многу чувствителни сензори за притисок, создадени за нас од самата природа.

Во 2009 година, истражувачите од Универзитетот во Штутгарт успеаја да ја добијат молекулата Ридберг.

Белешки

В. ДемтродерЛасерска спектроскопија: Основни концепти и инструменти. - Спрингер, 2009. - 924 стр. - ISBN 354057171X
R. Heidemann et al. (2007). „Доказ за кохерентна колективна Рајдбершка возбуда во режимот на силна блокада - link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601“. Писма за физички преглед 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.
Кохезија во топката молња - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
membrana.ru „За прв пат во светот е добиена молекула Ридберг“ - www.membrana.ru/lenta/?9250

Алкални метали, во кои надворешниот електрон е во високо возбудена состојба (до нивоа nоколу 1000). За да се пренесе атом од основната состојба во возбудена состојба, тој се озрачува со резонантна ласерска светлина или се иницира празнење на радиофреквенција. Големината на атом Ридберг може да ја надмине големината на истиот атом во основната состојба за речиси 10 6 пати за n = 1000 (види табела подолу).

Својства на атомите на Ридберг

Електрон што ротира во орбита со радиус роколу јадрото, според вториот Њутнов закон, доживува сила

каде (е диелектричната подложност), д- електронски полнеж.

Орбитален импулс во единици ħ еднакви

Од овие две равенки добиваме израз за орбиталниот радиус на електронот во состојбата n :

Шема на ласерско побудување на атом на рубидиум во Ридберговата состојба.

Енергијата на врзување на таков атом сличен на водород е еднаква на

Каде Рај= 13,6 eVе Ридберговата константа, и δ - дефект на нуклеарно полнење, кој на слобода nнезначителен. Разликата во енергијата помеѓу n-ти и n+1нивоата на енергија се приближно еднакви на

Каде а Б= 0,5·10 −10 mе Боровиот радиус и Т 1 ~ 10 −16 с.

Параметри на првите возбудени и Ридберг состојби на атомот на водород

Главен квантен број,	Прво возбуден држава,	Ридбергское држава,
Енергија на врзување на електрон во атом (јонизациски потенцијал), eV	≃ 5	≃ 10 −5
Големина на атомот (радиус на електронска орбита), m	~ 10 −10	~ 10 −4
Период на револуција на електрон во орбитата, с	~ 10 −16	~ 10 −7
Природно време на живот, с	~ 10 −8	~ 1

Бранова должина на зрачење на атом на водород при премин од n′ = 91на n = 90 еднаква на 3,4 см

Диполна блокада на атомите на Ридберг

Кога атомите се возбудуваат од основната состојба до состојбата на Ридберг, се јавува интересен феномен, наречен „диполна блокада“.

Во редок атомски пар, растојанието помеѓу атомите во основната состојба е големо и практично нема интеракција помеѓу атомите. Меѓутоа, кога атомите се возбудени во Ридберговата состојба, нивниот орбитален радиус се зголемува и достигнува вредност од редот од 1 μm. Како резултат на тоа, атомите „се приближуваат“, интеракцијата меѓу нив значително се зголемува, што предизвикува поместување на енергијата на состојбите на атомите. До што води ова? Да претпоставиме дека слабиот светлосен пулс може да возбуди само еден атом од основната состојба до состојбата на Рајберг. Обидот да се насели истото ниво со друг атом поради „диполната блокада“ станува очигледно невозможен.

Насоки на истражување и можни апликации

Основни области на истражување:

Необичните својства на атомите на Ридберг веќе се користат

Во 2009 година, истражувачите успеаја да ја добијат молекулата Ридберг (Англиски)руски .

Радио астрономија

Првите експериментални податоци за атомите на Ридберг во радио астрономијата беа добиени во 1964 година од страна на Р.С. Кога телескопот бил ориентиран кон маглината Омега, во спектарот на радио емисија што доаѓа од оваа маглина, била откриена емисиона линија на бранова должина λ ≃ 3,4 cm. Оваа бранова должина одговара на транзицијата помеѓу Ридберг состојби n′ = 91И n = 90 во спектарот на атом на водород.

Белешки

Литература

Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. et al. Спектроскопија на атомите на Ридберг на n ≅ 500 // Физ. Св. Лет. 1987. Ред. 59. Стр. 26.
Фреј М. Т. Хил С. Б.. Смит К. А.. Данинг Ф. Б., Фабрикант И. И. Студии за расејување електрони-молекули на енергии на микроелектронволти со користење на многу високи атоми Ридберг // Физ. Св. Лет. 1995. Ред. 75, бр. 5. стр. 810-813.
Сороченко Р.Л., Саломонович А.Е. Гигантски атоми во вселената // Природа. 1987. бр.11.Стр.82.
Dalgarno A. Rydberg атомите во астрофизиката // Rydberg состојби на атоми и молекули: Превод. од англиски / Ед. Р. Стебинс, Ф. Данинг. М.: Мир. 1985. стр. 9.
Смирнов Б. М. Возбудени атоми. М.: Енергоиздат, 1982. Гл. 6.

Врски

Делоне Н.Б.Рајдберг атоми // Соросово образовно списание, 1998 година, бр. 4, стр. 64-70
„Кондензирана ридберговска материја“, E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, статија од списанието „Nature“ N1, 2001 година.

Фондацијата Викимедија. 2010 година.

Егзотична молекула, чие постоење досега беше само тема на теоретска дебата, конечно е добиена од меѓународниот тим на научници предводен од Вера Бендковски од Универзитетот во Штутгарт. Откритието дава нова поддршка за квантната теорија, која го опишува однесувањето на електроните во невообичаени услови.

Новата молекула е „направена“ од два атоми на рубидиум, од кои едниот бил обичен атом, а другиот атом Ридберг. Ова значи дека еден од електроните во неговата надворешна обвивка бил во многу возбудена состојба.

Самите атоми на Рајдберг се необични предмети. Тие се добиваат кога електронската обвивка е изложена на ласерски зрак со одредена бранова должина. Едноставно кажано, еден од електроните на атомот Ридберг се оддалечува од јадрото на растојание многу, многу поголемо од електроните во кој било друг атом, но, сепак, продолжува да се поврзува со него.

Крис Грин, теоретски физичар од Универзитетот во Колорадо, и голем број негови колеги уште во 1970-тите предвидеа дека интеракциите помеѓу Ридберг и нормалните атоми се можни за формирање на молекули. Но, бидејќи електронот што ја обезбедува оваа интеракција е екстремно оддалечен од неговиот матичен атом, добиената хемиска врска е невообичаено слаба, така што во нормални услови, молекулата Ридберг едноставно не може да постои.

Назад во 2000 година, тим на истражувачи во кој беше вклучен Крис Грин, ја пресметаа конфигурацијата на дијатомската молекула Ридберг на рубидиум, нарекувајќи ја трилобит поради сличноста на графичкиот приказ на неговата надворешна електронска обвивка со древното суштество. Сликата лево го прикажува овој просторен график, кој ја рефлектира веројатноста да се најде надворешен валентен електрон во одредена точка во вселената, а од десната страна можете да го видите самиот трилобит (илустрација на Грин, Дикинсон, Садегпур, фотографија од Колорадо. еду).

Беа потребни многу години за усовршување на техниката на ладење на атомите на температури блиску до апсолутна нула пред конечно да биде можно создавањето на таква егзотична молекула.

Токму тоа го направија Бендковски и нејзините колеги. Вера објаснува: „Јадрата на атомите мора да бидат на точно растојание едно од друго, така што електронските полиња „да се пронајдат“ и да почнат да комуницираат. Користивме ултраладен облак од рубидиум, во кој атомите на гасот се доближуваа со намалување на температурата“.

Со помош на ласер, научниците префрлија некои од овие атоми во државата Ридберг. На температури многу блиску до нула, ова „критично растојание“ беше околу 100 нанометри.

Ова растојание помеѓу два атома кои формираат молекула е приближно 1000 пати поголемо од вообичаеното (десетици и стотици пикометри). Не е изненадувачки што дури и при апсолутна нула, молекулите на Ридберг се многу нестабилни. Најдолговечниот добиен во експериментот траел 18 микросекунди.

Во далечната 1934 година, големиот Ферми предвидел дека ако еден атом наиде на електрон „скитник“, тој ќе може да комуницира со него. Но, Ферми не отиде толку далеку што формираше молекула користејќи ваква суперслаба врска, објаснува Грин.

Детали за експериментот може да се најдат во

За прв пат во историјата на науката, тим научници од Харвард-МИТ Центарот за ултраладни атоми, предводени од професорите Михаил Лукин и Владан Вулетиќ, направија фотони од светлина да комуницираат едни со други и да комуницираат, формирајќи нешто од молекули на материјата. формирање на материја, која претходно постоела само во теорија. Откритието е направено во пркос на повеќе од сто години човечко знаење за природата на светлината и го побива тврдењето дека фотоните се неутрални, бестежински честички кои не можат да комуницираат едни со други.

„Однесувањето на формираните фотонски молекули се разликува од однесувањето на светлината од природно потекло и вештачкото потекло, од зраците на ласерската светлина од кои се направени“, вели професорот Лукин, „најмногу од сè, нивното однесување наликува на нешто добро познато на ние од научна фантастика - светилникот на витези - Џедај од Војна на ѕвездите.

„Повеќето од својствата на светлината што моментално ги знаеме укажуваат на тоа дека фотоните се бестежински и не комуницираат едни со други; два зраци на ласерска светлина поминуваат слободно еден низ друг без да претрпат никакви промени. Но, успеавме да создадеме посебна средина со уникатни услови, во кои фотоните почнуваат да комуницираат едни со други толку силно, како да имаат значителна маса, благодарение на што се комбинираат во нешто што го нарековме фотонски молекули Овој тип на интеракција на фотони постои во теоријата доста долго , но никој практично не го забележал тоа пред нас“, вели Лукин, „Се разбира, не е многу точно да се споредува новата форма на фотонска материја со светлосните сабји, но кога молекулите на фотоните комуницираат едни со други, тие или се привлекуваат , што се манифестира на физички план во форма на ефекти што можевме да ги видиме во борбите со светилници.

Со цел да ги принудат бестежинските фотони на светлината да комуницираат едни со други, научниците не мораа да прибегнуваат кон помош на силата Џедај. Наместо тоа, тие создадоа инсталација која создаде низа уникатни услови и еколошки карактеристики. Сè започна со пумпање на вакуумска комора со гас од атоми на рубидиум, кои потоа беа ладени со помош на ласерска светлина до температура неколку степени над апсолутната нула. Потоа, научниците почнаа да испраќаат слаби импулси, речиси единечни фотони на светлина, од друг ласер во средината на облак од изладени атоми на рубидиум.

Фотоните на светлината, кои влегуваат во облак од атоми, ги возбудуваат овие атоми, давајќи им дел од нивната енергија и нагло го забавуваат нивното движење. Оваа енергија се пренесува од атом до атом со брзината на оригиналниот фотон и, на крајот, оваа енергија го напушта облакот на атомите истовремено со оригиналниот фотон.

„Кога фотонот го напушта облакот, сите негови карактеристики остануваат исти како и пред да навлезе во него“, вели професорот Лукин, „Ние забележуваме сличен ефект кога светлината се прекршува во сад со вода, што ѝ дава дел од водата енергија, и во овој момент постои одредена супстанција која се состои од три компоненти, светлина, енергија и материја се случува токму истото, но ефектот се манифестира многу посилно, светлината се забавува до помала брзина, пренесувајќи повеќе енергија на материјата отколку што е случајот со светлината и водата.

Кога научниците почнаа да испраќаат не по еден фотон, туку неколку во исто време, во длабочините на облакот од атоми на рубидиум, открија дека овие фотони го напуштаат облакот, групирани заедно во една формација, фотонска молекула. Во овој случај, ова се случува поради влијанието на ефектот на блокадата на Ридберг. Овој ефект одредува дека кога еден атом од гасен облак е возбуден од снабдувањето со енергија однадвор до некое енергетско ниво, соседните атоми не можат да бидат возбудени на исто ниво. И во пракса, тоа значи дека кога два или повеќе фотони синхроно влегуваат во облак од атоми, еден од фотоните со својата енергија го возбудува првиот атом на кој ќе наиде, забавувајќи го неговото движење. Поради блокадата на Ридберг, вториот фотон не може да пренесе енергија дури ни на други атоми и продолжува да се движи со иста брзина, престигнувајќи го првиот фотон. Кога вториот фотон ќе достигне зона ослободена од влијанието на блокадата на Ридберг, тој исто така дава дел од својата енергија на атомот со кој се среќава и го забавува неговото движење. Резултатот е речиси синхроно движење на два бавни фотони и два бранови на енергија кои постојано се влечат и туркаат еден со друг.

„Оваа интеракција помеѓу фотоните е одредена од интеракцијата на атомите во облакот“, вели Лукин, „Тоа предизвикува фотоните да се однесуваат како една молекула, а кога фотоните го напуштаат облакот, во повеќето случаи тие продолжуваат да се однесуваат како фотони. молекула“.

Ефектот произведен од научниците, врз основа на интеракцијата на светлосните фотони, секако е интересен и необичен. Но, има неколку практични намени. „Можеби на многумина им се чини дека ние само си играме наоколу, во исто време ги поместуваме границите на човечкото знаење“, објаснува Лукин, „Ова воопшто не е така, фотоните на светлината остануваат најдобро средство за пренесување на квантната информација една од пречките за развојот на квантните пресметувања и технологиите за квантна комуникација беше тоа што не можевме да ги натераме фотоните да комуницираат едни со други, сега го решивме тој проблем.

Во иднина, научниците ќе ја користат технологијата што ја развија за да создадат сложени просторни структури, слични на кристалите, составени од фотонски молекули, т.е. од чиста светлина. „Ова ќе ни овозможи да имплементираме целосно нематеријален квантен оптички систем кој содржи фундаментални логички елементи кои можат да се користат за обработка и складирање на квантни информации“, вели Лукин, „Се разбира, за да го имплементираме ова, ќе мораме нешто повторно да направиме и подобриме, инаку што што сега го постигнавме е само доказ за ефикасноста на новите физички принципи“.

„Сè уште не знаеме како нашето откритие може да биде корисно, ова ќе стане познато само во иднина, но ова е нов тип на материја, или поточно неговата нова форма, и се надеваме дека понатамошни студии за својствата на фотонските молекули. а фотониските кристали ќе ни укажат на области на нивната практична примена“.