Fizicienii au văzut polaroni Rydberg în gazul Bose. metale Jahn-Teller

Plan:

1 Proprietățile atomilor Rydberg
- 1.1 Blocarea dipolului atomilor Rydberg
2 Direcții de cercetare și posibile aplicații

Introducere

Atomi Rydberg(numit în onoarea lui J.R. Rydberg) - atomi de metale alcaline în care electronul exterior este într-o stare foarte excitată (până la niveluri n ~ 100). Pentru a transfera un atom din starea fundamentală într-o stare excitată, acesta este iradiat cu lumină laser rezonantă sau se inițiază o descărcare de frecvență radio. Dimensiunea unui atom Rydberg este semnificativ mai mare decât dimensiunea aceluiași atom în starea fundamentală de aproape 10.000 de ori pentru n=100 (vezi tabelul de mai jos).

1. Proprietățile atomilor Rydberg

Electronul care se rotește pe o orbită de rază rîn jurul nucleului, conform celei de-a doua legi a lui Newton, acesta experimentează o forță:

Unde k= 1/(4πε 0), e- sarcina electronilor.

Momentul orbital în unități ħ egal cu:

Din aceste două ecuații obținem o expresie pentru raza orbitală a unui electron în starea „n”

Schema de excitare cu laser a unui atom de rubidiu în starea Rydberg

Energia de legare a unui astfel de atom asemănător hidrogenului este egală cu

unde Ry = 13,6 eV este constanta Rydberg și δ defect de sarcină nucleară, care în general n nesemnificativ. Diferența de energie între n-m și n+1-lea nivel de energie este aproximativ egal cu

Dimensiunea caracteristică a unui atom r n iar perioada semiclasică tipică de revoluție a unui electron sunt egale

Unde a B = 0,5×10 −10 m este raza Bohr și T 1 ~ 10 −16 s.

Să comparăm câteva numere ale stărilor solului și Rydberg ale atomului de hidrogen.

1.1. Blocarea dipolului atomilor Rydberg

Când atomii sunt excitați din starea fundamentală în starea Rydberg, are loc un fenomen interesant, numit blocarea dipolului.Într-o pereche atomică încărcată, distanța dintre atomi în starea fundamentală este mare și practic nu există nicio interacțiune între atomi. Cu toate acestea, atunci când atomii sunt excitați în starea Rydberg, raza lor orbitală crește cu n 2 până la ~1 µm. Ca urmare, atomii „se apropie”, interacțiunea dintre ei crește semnificativ, ceea ce provoacă o schimbare a energiei stărilor atomilor. La ce duce asta? Să presupunem că un puls slab de lumină a fost capabil să excite doar un atom de la starea fundamentală la starea Ryberg. O încercare de a popula același nivel cu un alt atom din cauza „blocadei dipolului” devine evident imposibilă.

2. Direcții de cercetare și posibile aplicații

Cercetările legate de stările Rydberg ale atomilor pot fi împărțite în două grupe: studiul atomilor înșiși și utilizarea proprietăților lor în alte scopuri.

Domenii fundamentale de cercetare:

Din mai multe state cu mare n este posibil să se compună un pachet de undă care va fi mai mult sau mai puțin localizat în spațiu. Dacă și numărul cuantic orbital este mare, atunci vom obține o imagine aproape clasică: un nor de electroni localizat se rotește în jurul nucleului la o distanță mare de acesta.
Dacă impulsul orbital este mic, atunci mișcarea unui astfel de pachet de undă va fi cvasi-unidimensionale: Norul de electroni se va îndepărta de nucleu și se va apropia din nou de el. Acesta este un analog al unei orbite eliptice foarte alungite în mecanica clasică atunci când se deplasează în jurul Soarelui.
Comportarea unui electron Rydberg în câmpurile electrice și magnetice externe. Electronii obișnuiți situati aproape de nucleu simt în principal câmpul electrostatic puternic al nucleului (de ordinul a 10 9 V/cm), iar câmpurile externe pentru ei joacă doar rolul de aditivi mici. Electronul Rydberg simte un câmp nuclear puternic slăbit ( E ~ E 0 /n 4), și, prin urmare, câmpurile externe pot distorsiona radical mișcarea electronului.
Atomii cu doi electroni Rydberg au proprietăți interesante, un electron „învârtindu-se” în jurul nucleului la o distanță mai mare decât celălalt. Astfel de atomi se numesc planetar.
Conform unei ipoteze, fulgerul cu minge este format din materie Rydberg.

Proprietățile neobișnuite ale atomilor Rydberg sunt deja folosite

Detectoare radio cuantice: atomii Rydberg pot detecta chiar și un singur foton în domeniul radio, ceea ce depășește cu mult capacitățile antenelor convenționale.
Spectrul de energie în trepte al unui electron Rydberg servește drept „bilanț energetic” care poate fi folosit pentru a măsura cu precizie energiile.
Atomii Rydberg sunt observați și în mediul interstelar. Sunt senzori de presiune foarte sensibili, creați pentru noi chiar de natura.

În 2009, cercetătorii de la Universitatea din Stuttgart au reușit să obțină molecula Rydberg.

Note

W. Demtroder Spectroscopie cu laser: concepte de bază și instrumentație. - Springer, 2009. - 924 p. - ISBN 354057171X
R. Heidemann şi colab. (2007). „Dovezi pentru o excitare coerentă a colectivului Rydberg în regimul de blocaj puternic - link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601”. Scrisori de revizuire fizică 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.
Coeziunea în fulgerul cu minge - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
membrana.ru „Pentru prima dată în lume, a fost obținută o moleculă Rydberg” - www.membrana.ru/lenta/?9250

Metale alcaline, în care electronul exterior este într-o stare foarte excitată (până la niveluri n aproximativ 1000). Pentru a transfera un atom din starea fundamentală într-o stare excitată, acesta este iradiat cu lumină laser rezonantă sau se inițiază o descărcare de frecvență radio. Dimensiunea unui atom Rydberg poate depăși dimensiunea aceluiași atom în starea fundamentală de aproape 106 ori pentru n = 1000 (vezi tabelul de mai jos).

Proprietățile atomilor Rydberg

Electronul care se rotește pe o orbită de rază rîn jurul nucleului, conform celei de-a doua legi a lui Newton, experimentează o forță

unde ( este susceptibilitatea dielectrică), e- sarcina electronilor.

Momentul orbital în unități ħ egală

Din aceste două ecuații obținem o expresie pentru raza orbitală a unui electron în stare n :

Schema de excitare cu laser a unui atom de rubidiu în starea Rydberg.

Energia de legare a unui astfel de atom asemănător hidrogenului este egală cu

Unde Ry= 13,6 eV este constanta Rydberg și δ - defect de sarcină nucleară, care în general n nesemnificativ. Diferența de energie între n-lea și n+1 nivelul de energie este aproximativ egal cu

Dimensiunea caracteristică a unui atom r n iar perioada semiclasică tipică de revoluție a unui electron sunt egale

Unde un B= 0,5·10 −10 m este raza Bohr și T 1 ~ 10 −16 s.

Parametrii primei stări excitate și Rydberg ale atomului de hidrogen

numărul cuantic principal,	Primul excitat stat,	Rydbergskoe stat,
Energia de legare a unui electron într-un atom (potențial de ionizare), eV	≃ 5	≃ 10 −5
Dimensiunea atomului (raza orbitei electronilor), m	~ 10 −10	~ 10 −4
Perioada de revoluție a unui electron pe orbită, s	~ 10 −16	~ 10 −7
Timp natural de viață, s	~ 10 −8	~ 1

Lungimea de undă a radiației unui atom de hidrogen în timpul tranziției de la n′ = 91 pe n = 90 egal cu 3,4 cm

Blocarea dipolului atomilor Rydberg

Când atomii sunt excitați de la starea fundamentală la starea Rydberg, are loc un fenomen interesant, numit „blocadă dipol”.

Într-o pereche atomică rarefiată, distanța dintre atomi în starea fundamentală este mare și practic nu există nicio interacțiune între atomi. Cu toate acestea, atunci când atomii sunt excitați în starea Rydberg, raza lor orbitală crește și atinge o valoare de ordinul a 1 μm. Ca urmare, atomii „se apropie”, interacțiunea dintre ei crește semnificativ, ceea ce provoacă o schimbare a energiei stărilor atomilor. La ce duce asta? Să presupunem că un puls slab de lumină a fost capabil să excite doar un atom de la starea fundamentală la starea Ryberg. O încercare de a popula același nivel cu un alt atom din cauza „blocadei dipolului” devine evident imposibilă.

Direcții de cercetare și posibile aplicații

Cercetările legate de stările Rydberg ale atomilor pot fi împărțite în două grupe: studiul atomilor înșiși și utilizarea proprietăților lor în alte scopuri.

Domenii fundamentale de cercetare:

Proprietățile neobișnuite ale atomilor Rydberg sunt deja folosite

În 2009, cercetătorii au reușit să obțină molecula Rydberg (Engleză) Rusă .

Radioastronomie

Primele date experimentale despre atomii Rydberg în radioastronomie au fost obținute în 1964 de R. S. Sorochenko și colab. (FIAN) pe un radiotelescop reflector de 22 de metri, creat pentru a studia radiația obiectelor cosmice în intervalul de frecvență centimetric. Când telescopul a fost orientat spre Nebuloasa Omega, în spectrul de emisie radio provenind din această nebuloasă, a fost detectată o linie de emisie la o lungime de undă λ ≃ 3,4 cm. Această lungime de undă corespunde tranziției dintre stările Rydberg n′ = 91Și n = 90 în spectrul unui atom de hidrogen.

Note

Literatură

Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. şi colab. Spectroscopia atomilor Rydberg la n ≅ 500 // Fiz. Rev. Lett. 1987. Vol. 59. P. 26.
Frey M. T. Hill S. B.. Smith K. A.. Dunning F. B., Fabrikant I. I. Studii de împrăștiere a moleculelor de electroni la energii de microelectronvolt folosind atomi Rydberg foarte înalți // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 75, nr. 5. P. 810-813.
Sorocenko R.L., Salomonovici A.E. Atomi giganți în spațiu // Natură. 1987. Nr. 11. P. 82.
Dalgarno A. Rydberg atoms in astrophysics // Rydberg states of atoms and molecules: Transl. din engleza / Ed. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir. 1985. P. 9.
Smirnov B. M. Atomi excitați. M.: Energoizdat, 1982. Ch. 6.

Legături

Delone N.B. Atomi Rydberg // Jurnal educațional Soros, 1998, nr. 4, p. 64-70
„Materia Rydberg condensată”, E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, articol din revista „Nature” N1, 2001.

Fundația Wikimedia. 2010.

O moleculă exotică, a cărei existență a fost până acum doar subiect de dezbatere teoretică, a fost în sfârșit obținută de o echipă internațională de oameni de știință condusă de Vera Bendkowsky de la Universitatea din Stuttgart. Descoperirea oferă un nou suport pentru teoria cuantică, care descrie comportamentul electronilor în condiții neobișnuite.

Noua moleculă a fost „făcută” din doi atomi de rubidiu, dintre care unul era un atom obișnuit și celălalt un atom Rydberg. Aceasta înseamnă că unul dintre electronii din învelișul său exterior era într-o stare foarte excitată.

Atomii Rydberg înșiși sunt obiecte neobișnuite. Ele sunt obținute atunci când învelișul de electroni este expus la un fascicul laser cu o anumită lungime de undă. Pentru a spune simplu, unul dintre electronii unui atom Rydberg se îndepărtează de nucleu la o distanță mult, mult mai mare decât electronii din orice alt atom, dar, totuși, continuă să fie asociat cu acesta.

Chris Greene, un fizician teoretician la Universitatea din Colorado, și un număr de colegi ai săi au prezis încă din anii 1970 că interacțiunile dintre Rydberg și atomii normali erau posibile pentru a forma molecule. Dar, deoarece electronul care asigură această interacțiune este extrem de îndepărtat de atomul său părinte, legătura chimică rezultată este neobișnuit de slabă, astfel încât în condiții normale o moleculă Rydberg pur și simplu nu poate exista.

În 2000, o echipă de cercetători care l-a inclus pe Chris Green a calculat configurația unei molecule diatomice de rubidiu Rydberg, numind-o trilobit datorită asemănării reprezentării grafice a învelișului său exterior de electroni cu creatura antică. Figura din stânga arată acest grafic spațial, care reflectă probabilitatea de a găsi un electron de valență exterior într-un anumit punct din spațiu, iar în dreapta puteți vedea trilobitul însuși (ilustrare de Greene, Dickinson, Sadeghpour, fotografie din Colorado. edu).

A fost nevoie de mulți ani de perfecționare a tehnicii de răcire a atomilor la temperaturi apropiate de zero absolut înainte ca crearea unei astfel de molecule exotice să fie în sfârșit posibilă.

Exact asta au făcut Bendkowski și colegii ei. Vera explică: „Nucleele atomilor trebuie să fie la distanța corectă unul de celălalt, astfel încât câmpurile de electroni să se „găsească” reciproc și să înceapă să interacționeze. Am folosit un nor ultrarece de rubidiu, în care atomii de gaz s-au apropiat pe măsură ce temperatura a scăzut.”

Folosind un laser, oamenii de știință au transferat unii dintre acești atomi în starea Rydberg. La temperaturi foarte apropiate de zero, această „distanță critică” era de aproximativ 100 de nanometri.

Această distanță dintre doi atomi care formează o moleculă este de aproximativ 1000 de ori mai mare decât de obicei (zeci și sute de picometri). Nu este surprinzător că, chiar și la zero absolut, moleculele Rydberg sunt foarte instabile. Cel mai longeviv cel obținut în experiment a durat 18 microsecunde.

În 1934, marele Fermi a prezis că, dacă un atom întâlnește un electron „rătăcitor”, acesta va putea interacționa cu el. Dar Fermi nu a mers atât de departe încât să formeze o moleculă folosind acest tip de legătură super-slabă, explică Green.

Detalii despre experiment pot fi găsite în

Pentru prima dată în istoria științei, o echipă de oameni de știință de la Centrul Harvard-MIT pentru Atomi Ultrareci, condusă de profesorii Mikhail Lukin și Vladan Vuletic, a făcut ca fotonii de lumină să interacționeze între ei și să comunice, formând ceva din molecule de materie. formând materie, care anterior exista doar în teorie. Descoperirea a fost făcută sfidând mai mult de o sută de ani de cunoștințe umane despre natura luminii și respinge afirmația că fotonii sunt particule neutre, fără greutate, care nu pot interacționa între ele.

„Comportamentul moleculelor fotonice formate diferă de comportamentul luminii de origine naturală și artificială, de razele de lumină laser din care au fost făcute”, spune profesorul Lukin, „mai ales, comportamentul lor seamănă cu ceva bine cunoscut noi din science fiction - sabia laser a cavalerilor - Jedi din Star Wars.

„Majoritatea proprietăților luminii pe care le cunoaștem în prezent indică faptul că fotonii sunt lipsiți de greutate și nu interacționează între ei; două fascicule de lumină laser trec liber unul prin celălalt, fără a suferi modificări. Dar am reușit să creăm un mediu special cu un mediu unic. condiții, în care fotonii încep să interacționeze unii cu alții atât de puternic, de parcă ar avea o masă semnificativă, datorită căreia se combină în ceva ce am numit molecule fotonice. Acest tip de interacțiune a fotonilor există în teorie de destul de mult timp , dar nimeni nu a observat-o practic înaintea noastră „- spune Lukin, „Desigur, nu este foarte corect să comparăm noua formă de materie fotonică cu săbiile laser, dar când moleculele fotonice interacționează între ele, fie se atrag, fie se resping , care se manifestă pe plan fizic sub formă de efecte pe care le-am putut vedea în luptele cu sabiile laser”.

Pentru a forța fotonii de lumină fără greutate să interacționeze între ei, oamenii de știință nu au fost nevoiți să recurgă la ajutorul Forței Jedi. În schimb, au creat o instalație care a creat o serie de condiții unice și caracteristici de mediu. Totul a început prin pomparea unei camere de vid cu un gaz de atomi de rubidiu, care au fost apoi răciți cu ajutorul luminii laser la o temperatură cu câteva grade peste zero absolut. Apoi, oamenii de știință au început să trimită impulsuri slabe, aproape un singur fotoni de lumină, de la un alt laser în mijlocul unui nor de atomi de rubidiu răciți.

Fotonii de lumină, care intră într-un nor de atomi, excită acești atomi, dându-le o parte din energia lor și încetinind brusc mișcarea lor. Această energie este transferată de la atom la atom la viteza fotonului original și, în cele din urmă, această energie părăsește norul de atomi simultan cu fotonul original.

„Când un foton părăsește nor, toate caracteristicile sale rămân aceleași ca înainte de a intra în el”, spune profesorul Lukin, „observăm un efect similar atunci când lumina este refractă în interiorul unui vas cu apă. Lumina intră în apă, dându-i o parte din ea energie, iar în acest moment există o anumită substanță formată din trei componente, lumină, energie și materie. Dar când lumina părăsește apa, ea revine la starea inițială, în cazul luminii și al unui nor de atomi de rubidiu se întâmplă exact la fel, dar efectul se manifestă mult mai puternic, lumina încetinește la o viteză mai mică, transferând mai multă energie materiei decât în cazul luminii și apei”.

Când oamenii de știință au început să trimită nu câte un foton odată, ci mai mulți odată, în adâncurile norului de atomi de rubidiu, ei au descoperit că acești fotoni au părăsit norul, grupați într-o singură formațiune, o moleculă fotonică. În acest caz, acest lucru se întâmplă datorită influenței efectului de blocare Rydberg. Acest efect determină că atunci când un atom dintr-un nor de gaz este excitat de furnizarea de energie din exterior la un anumit nivel de energie, atomii vecini nu pot fi excitați la același nivel. Și în practică, asta înseamnă că atunci când doi sau mai mulți fotoni intră sincron într-un nor de atomi, unul dintre fotoni cu energia sa excită primul atom pe care îl întâlnește, încetinind mișcarea acestuia. Din cauza blocadei Rydberg, al doilea foton nu poate transfera energie nici măcar către alți atomi și continuă să se miște cu aceeași viteză, depășind primul foton. Când al doilea foton ajunge într-o zonă liberă de influența blocadei Rydberg, el renunță și o parte din energia sa atomului pe care îl întâlnește și își încetinește mișcarea. Rezultatul este o mișcare aproape sincronă a doi fotoni lenți și două valuri de energie care se trag și se împing în mod constant unul pe celălalt.

„Această interacțiune între fotoni este determinată de interacțiunea atomilor din nor”, spune Lukin, „determină ca fotonii să se comporte ca o singură moleculă, iar când fotonii părăsesc norul, în majoritatea cazurilor ei continuă să se comporte ca un fotonic. moleculă."

Efectul produs de oamenii de știință, bazat pe interacțiunea fotonilor de lumină, este cu siguranță interesant și neobișnuit. Dar are mai multe utilizări practice. „Mulți li se poate părea că ne jucăm, în același timp, depășim limitele cunoașterii umane”, explică Lukin, „Acesta nu este deloc cazul, fotonii luminii rămân cel mai bun mijloc de transmitere a informațiilor cuantice unul dintre obstacolele în calea dezvoltării computerului cuantic și a tehnologiilor de comunicații cuantice a fost că nu am putut face ca fotonii să interacționeze între ei. Acum am rezolvat această problemă.

În viitor, oamenii de știință vor folosi tehnologia pe care au dezvoltat-o pentru a crea structuri spațiale complexe, similare cu cristalele, constând din molecule fotonice, de exemplu. din lumină pură. „Acest lucru ne va permite să implementăm un sistem optic cuantic complet imaterial, care conține elemente logice fundamentale care pot fi utilizate pentru procesarea și stocarea informațiilor cuantice”, spune Lukin, „Desigur, pentru a implementa acest lucru va trebui să refacem și să îmbunătățim ceva, altfel ceea ce am realizat acum este doar o dovadă a eficienței noilor principii fizice.”

„Nu știm încă cum poate fi utilă descoperirea noastră, aceasta va deveni cunoscută doar în viitor. Dar acesta este un nou tip de materie, sau mai degrabă noua sa formă, și sperăm că noi studii asupra proprietăților moleculelor fotonice. iar cristalele fotonice ne vor indica domeniile aplicației lor practice.”