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 10 6 раз для n = 1000 (см. таблицу ниже).
Свойства ридберговских атомов
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 :
Схема лазерного возбуждения атома рубидия в ридберговское состояние.
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 -ым и n+1 -ым уровнями энергии примерно равна
.Характерный размер атома r n и типичный квазиклассический период обращения электрона равны
,где a B = 0.5·10 −10 м - боровский радиус , а T 1 ~ 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
Дипольная блокада ридберговских атомов
При возбуждении атомов из основного состояния в ридберговское происходит интересное явление, получившие название «дипольная блокада».
В разреженном атомном паре расстояние между атомами, находящимся 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 риберговское состояние. Попытка заселить тот же уровень другим атомом из-за «дипольной блокады» становится заведомо невозможной .
Направления исследования и возможные применения
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:
Необычные свойства ридберговских атомов уже находят свои применения
В 2009 году исследователями из удалось получить Ридберговскую молекулу (англ.) русск. .
Радиоастрономия
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 .
Примечания
Литература
- Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke К. et al. Spectroscopy of Rydberg Atoms at n ≅ 500 // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 59. P. 26.
- Frey M. T. Hill S.B.. Smith K.A.. Dunning F.B., Fabrikant I.I. Studies of Electron-Molecule Scattering at Microelectronvolt Energies Using Very-High-n Rydberg Atoms // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 75, № 5. P. 810-813.
- Сороченко Р. Л., Саломонович A.E. Гигантские атомы в космосе // Природа. 1987. № 11. С. 82.
- Далгарно А. Ридберговские атомы в астрофизике // Ридберговские состояния атомов и молекул: Пер. с англ. / Под ред. Р. Стеббинса, Ф. Даннинга. М.: Мир. 1985. С. 9.
- Смирнов Б. М. Возбужденные атомы. М.: Энергоиздат, 1982. Гл. 6.
Ссылки
- Делоне Н. Б. Ридберговские атомы // Соросовский образовательный журнал , 1998, № 4, с. 64-70
- «Конденсированное ридберговское вещество» , Э. А. Маныкин, М. И. Ожован, П. П. Полуэктов, статья из журнала «Природа» N1, 2001.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Михаил Лукин - профессор физики Гарвардского университета и Владан Вулетич - его коллега из Сербии, профессор физики Массачусетского технологического института, в уникальном эксперименте смогли заставить кванты электромагнитного излучения связываться и образовывать совершенно новое состояние материи, на подобии молекулы. Их работа описана в журнале Nature от 25 сентября 2013 года.
Вероятность существования такой материи до настоящего времени исследовалось только теоретически.
Подобная теория, по мнению авторов, противоречит с базисными представлениями о природе света.
Общепринятым является факт, что фотоны – это частицы, не имеющие массы, которые не взаимодействуют друг с другом: лазерные лучи, направленные навстречу друг-другу проходят насквозь один через другой.
Ученым удалось построить среду особенного типа. Они показали, что в такой среде кванты взаимодействуют так сильно, что ведут себя как если бы имели массу.
Лукин приводит сравнение со световыми мечами из космических фэнтези. При взаимодействии фотонов они отталкиваются друг от друга и отклоняются в сторону. Происходящие с молекулами явления напоминают Лукину сражение джедаев на световых мечах в фильме «Звездные войны».
Михаил Лукин и его коллеги (Офер Фистерберг и Алексей Горшков из Гарварда, Тибо Пейронель и Ци Лян из Массачусетса) создали специальные условия среды, для того что бы заставить фотоны, которые в норме не имеют массы, взаимодействовать. Для этого в вакуумную камеру были помещены атомы рубидия, далее атомное облачко охлаждается практически до абсолютного нуля с помощью лазера. И наконец, выстреливали в образовавшееся облако единичными сверхслабыми лазерными импульсами.
Основной принцип заключается в том, что, проходя через облако холодных атомов, энергия фотона приводит в состояние возбуждения встречные атомы, что ведет к значительному замедлению движения кванта. Фотон движется через облачко, а его энергия передаётся соседним атомам и в конце выходит из облака вместе с квантом, при этом он сохраняет свою идентичность.
Подобный эффект наблюдается при преломлении света в стакане с водой. Свет отдает долю своей энергии среде и находится внутри нее и как свет, и как вещество. Но по выходу из воды, он сохраняет свою идентичность. В эксперименте с фотонам мы наблюдаем этот же принцип: свет значительно замедляется и передает окружающей среде больше энергии, чем при рефракции.
В эксперименте ученые обнаружили, что при выстреле в облако двумя квантами они выходят как одна молекула. Такой эффект называется блокада Ридберга.
Когда атом возбужден, соседние атомы не могут быть возбуждены до такого же уровня. Это означает, что когда два кванта входят в облако первый возбуждает ближний атом, но, прежде чем второй возбудит соседний, первый фотон должен продвинуться вперед. Иначе говоря, вследствие того, что энергия фотонов переходит на соседние атомы, они толкают друг друга сквозь среду. Авторы делают вывод: атомное взаимодействие предопределяет квантовое взаимодействие, в результате, такой эффект заставляет фотоны ввести себя в среде подобно единой молекуле и покидать ее, как один фотон.
Каково же практическое применение этого эффекта?
На сегодняшний день фотоны – лидирующее средство для транспорта квантовой информации.
Для создания квантового компьютера требуется система способная сохранять и анализировать квантовую информацию, а для этого необходимо понимать принцип взаимодействия фотонов.
Ученым удалось доказать, что создание квантового переключателя и оператора квантовой логики возможно. Для этого необходимо повышать эффективность открытого процесса, но это лишь дело времени. На данный момент, это открытие является образцом принципиальной идеи фотонного взаимодействия.
Михаил Лукин приводит пример, что созданная система, в скором времени может быть использована для создания трехмерных кристаллоподобнх структур из фотонов.
Команда физиков из Центра ультрахолодных атомов при Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте (Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms) под руководством нашего соотечественника Михаила Лукина получила ранее невиданный тип материи.
Это вещество, по словам авторов исследования, противоречит представлениям учёных о природе света. Фотоны считаются безмассовыми частицами, неспособными взаимодействовать друг с другом. Например, если направить два лазерных луча друг на друга, то они просто пройдут насквозь, никак не взаимодействуя между собой.
Но на этот раз Лукину и его команде удалось экспериментально опровергнуть это убеждение. Они заставили частицы света образовать друг с другом прочную связь и даже собираться в молекулы. Ранее такие молекулы были только в теории.
"Фотонные молекулы ведут себя не как обычные лазерные лучи, а как нечто близкое к научной фантастике - джедайские световые мечи, например", - заявляет Лукин.
"Большинство описанных свойств света исходят из убеждения об отсутствии массы у фотонов. Именно поэтому они никак не взаимодействуют друг с другом. Всё, что мы сделали, это создали особую среду, в которой частицы света взаимодействуют друг с другом так сильно, что начинают вести себя, как если бы у них была масса, и формируются в молекулы", - поясняет физик.
В создании фотонных молекул, а точнее, среды, пригодной для их формирования, Лукин и его коллеги не могли рассчитывать на Силу. Им пришлось провести сложный эксперимент с точными расчётами, но абсолютно поразительными результатами.
Для начала исследователи поместили атомы рубидия в вакуумную камеру и использовали лазеры, чтобы охладить атомное облако всего до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Затем, создавая очень слабые лазерные импульсы, учёные направляли в рубидиевое облако по одному фотону.
"Когда фотоны входят в облако холодных атомов, их энергия заставляет атомы переходить в возбуждённое состояние. В результате частицы света замедляются. Фотоны движутся сквозь облако, а энергия передаётся от атома к атому до тех пор, пока не покинет среду вместе с самим фотоном. При этом состояние среды сохраняется таким же, каким было до "посещения" фотона", - рассказывает Лукин.
Авторы исследования сравнивают этот процесс с преломлением света в стакане воды. Когда луч проникает в среду, то отдаёт ей часть своей энергии и внутри стакана он представляет собой "связку" между светом и материей. Но, выходя из стакана, он всё также является светом. Практически тот же процесс имеет место в эксперименте Лукина. Физическая разница лишь в том, что свет сильно замедляется и отдаёт больше энергии, чем при обычном преломлении в стакане с водой.
На следующем этапе эксперимента учёные отправили в рубидиевое облако два фотона. Каково же было их удивление, когда они поймали на выходе два связанных в молекулу фотона. Это можно назвать единицей невиданного ранее вещества. Но в чём причина такой связи?
Эффект был описан ранее теоретически и носит название блокады Ридберга. Согласно этой модели, при возбуждении одного атома другие соседние атомы не могут перейти в то же самое возбуждённое состояние. На практике это означает, что при вхождении двух фотонов в облако из атомов, первый будет возбуждать атом и продвигаться вперёд, прежде чем второй фотон возбудит соседние атомы.
В результате два фотона будут толкать и тянуть друг друга, проходя через облако, пока их энергия передаётся от одного атома к другому.
"Это фотонное взаимодействие, которое опосредованно взаимодействием атомным. Благодаря этому два фотона будут вести себя как одна молекула, нежели как две отдельные частицы, на выходе из среды", - поясняет Лукин.
Авторы исследования признаются, что провели этот эксперимент больше для забавы, чтобы проверить на прочность фундаментальные границы науки. Однако у такого удивительного открытия может быть масса практических применений.
К примеру, фотоны являются оптимальным носителем квантовой информации, проблемой был лишь тот факт, что частицы света не взаимодействуют друг с другом. Чтобы построить квантовый компьютер, необходимо создать систему, которая будет хранить единицы квантовой информации и обрабатывать её с помощью квантовых логических операций.
Проблема состоит в том, что такая логика требует взаимодействия между отдельными квантами таким образом, чтобы системы переключались и выполняли обработку информации.
"Наш эксперимент доказывает, что это возможно. Но перед тем, как мы займёмся созданием квантового переключателя или фотонного логического вентиля, нам необходимо улучшить производительность фотонных молекул", - говорит Лукин. Таким образом, нынешний результат лишь доказательство работы концепции на практике.
Открытие физиков будет полезно и в производстве классических компьютеров и вычислительных машин. Оно поможет решить ряд проблем, связанных с потерями мощности, с которыми сталкиваются производители компьютерных чипов.
Если говорить о далёком будущем, то однажды последователи Лукина смогут, вероятно, создать трёхмерную структуру, вроде кристалла, состоящую полностью из света.
Описание эксперимента и выводы учёных можно почитать в статье Лукина и его коллег, опубликованной в журнале Nature.
Группа ученых из исследовательского Центра изучения ультрахолодных атомов Гарварда-Массачуссетса (Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms), возглавляемая профессорами Михаилом Лукиным (Mikhail Lukin) и Владэном Вулетиком (Vladan Vuletic), впервые в истории науки заставили фотоны света взаимодействовать между собой и связаться, образуя нечто молекул вещества, формирующих материю, которая до этого существовала только в теории. Данное открытие было сделано вопреки всем знаниям людей о природе света, которые накапливались в течение более чем сотни лет, и оно опровергает утверждение о том, что фотоны являются нейтральными невесомыми частицами, которые не могут взаимодействовать друг с другом.
"Поведение образованных фотонных молекул отличается от поведения света естественного происхождения и искусственного происхождения, от лучей лазерного света из которого они были сделаны" - рассказывает профессор Лукин, - "Больше всего их поведение напоминает нечто, хорошо известное нам по научной фантастике - световой меч рыцарей-джедаев из "Звездных войн"".
"Большинство свойств света, которые известны нам в настоящее время, указывают на то, что фотоны невесомы и не взаимодействуют между собой, два луча лазерного света свободно проходят друг через друга, не претерпевая никаких изменений. Но нам удалось создать специальную среду с уникальными условиями, в которой фотоны начинают взаимодействовать между собой настолько сильно, будто бы у них имеется значительная масса. Благодаря этому они объединяются в нечто, что мы назвали фотонными молекулами. Такой вид взаимодействия фотонов существовал в теории уже достаточно давно, но до нас его никто не наблюдал практически" - рассказывает Лукин, - "Конечно, не очень корректно сравнивать новую форму фотонной материи со световыми мечами. Но когда фотонные молекулы взаимодействуют между собой, они или притягиваются или отталкиваются, что проявляется на физическом плане в виде эффектов, которые мы могли видеть в поединках на световых мечах".
Для того, чтобы заставить невесомые фотоны света взаимодействовать друг с другом, ученым не пришлось обращаться к помощи Силы джедаев. Вместо этого они сделали установку, в которой был создан целый ряд уникальных условий и характеристик среды. Все началось с "накачки" вакуумной камеры газом из атомов рубидия, которые затем с помощью света лазера были охлаждены до температуры в несколько градусов выше абсолютного нуля. Затем ученые начали посылать слабые импульсы, практически единичные фотоны света другого лазера в самую гущу облака охлажденных атомов рубидия.
Фотоны света, входя в облако атомов, возбуждают эти атомы, отдавая им часть своей энергии и резко замедляя свое движение. Эта энергия передается от атома к атому со скоростью движения изначального фотона и, в конечном счете, эта энергия покидает пределы облака атомов одновременно с изначальным фотоном.
"Когда фотон покидает облако, все его характеристики остаются такими же, как и до входа в него" - рассказывает профессор Лукин, - "Подобный эффект мы наблюдаем, когда свет преломляется внутри сосуда с водой. Свет входит в воду, отдавая ей часть своей энергии, и в этот момент существует некая субстанция, состоящая из трех компонентов, света, энергии и материи. Но когда свет покидает пределы воды, он возвращается к своему изначальному состоянию. В случае со светом и облаком атомов рубидия все происходит точно также, но эффект проявляется значительно сильней, свет замедляется до более низкой скорости, отдавая большее количество энергии материи, чем это происходит в случае со светом и водой".
Когда ученые стали посылать в недра облака атомов рубидия не по одному фотону, а по несколько, они обнаружили, что эти фотоны покидали пределы облака, сгруппировавшись вместе в единое образование, в фотонную молекулу. В данном случае это происходит за счет влияния эффекта блокады Ридберга (Rydberg blockade). Этот эффект определяет, что когда один атом облака газа возбуждается за счет поступления энергии извне до какого-нибудь энергетического уровня, соседние атомы не могут быть возбуждены до такого же уровня. А на практике это означает, что когда два или больше фотонов синхронно входят в облако атомов, один из фотонов своей энергией возбуждает первый попавшийся атом, замедляя при этом свое движение. За счет блокады Ридберга второй фотон не может отдать энергию даже другим атомам и продолжает двигаться с прежней скоростью, обгоняя первый фотон. Когда второй фотон достигает зоны, свободной от влияния блокады Ридберга, он также отдает попавшемуся атому часть своей энергии и замедляет свое движение. В результате получается почти синхронное движение двух медленных фотонов и двух волн энергии, которые постоянно тянут и толкают друг друга.
"Это взаимодействие между фотонами определяется взаимодействием атомов в облаке" - рассказывает Лукин, - "Оно заставляет фотоны вести себя подобно единой молекуле, и когда фотоны покидают пределы облака, они в большинстве случаев продолжают вести себя как фотонная молекула".
Произведенный учеными эффект, основанный на взаимодействии фотонов света, безусловно, интересен и необычен. Но у него имеется несколько видов практического применения. "Многим может показаться, что мы просто играемся, одновременно раздвигая границы людских познаний" - объясняет Лукин, - "Это совсем не так, фотоны света остаются самым лучшим средством передачи квантовой информации. И одним из препятствий к разработке технологий квантовых вычислений и квантовых коммуникаций было то, что мы не могли заставить фотоны взаимодействовать друг с другом. Теперь нам удалось решить эту проблему".
В дальнейшем ученые собираются применить разработанную ими технологию для создания сложных пространственных структур, подобных кристаллам, состоящих из фотонных молекул, т.е. из чистого света. "Это позволит нам реализовать полностью нематериальную квантово-оптическую систему, содержащую фундаментальные логические элементы, которые можно использовать для обработки и хранения квантовой информации" - рассказывает Лукин, - "Конечно, для реализации этого нам кое-что придется переделать и усовершенствовать, а то, чего мы достигли сейчас, является лишь доказательством работоспособности новых физических принципов".
"Чем наше открытие может быть полезно, мы пока еще не знаем, это станет известно только в будущем. Но это - новый вид материи, точнее ее новая форма, и мы надеемся, что дальнейшие изучения свойств фотонных молекул и фотонных кристаллов укажут нам на области их практического применения".
В Бозе-Эйнштейновском конденсате атомов стронция-84 могут возникать поляроны, представляющие собой ридберговские атомы, окруженные облаком упругих деформаций. Этот эффект увидели на практике и обосновали теоретически физики из Австрии и США. Статья опубликована в Physical Review Letters , препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Когда медленный электрон движется сквозь диэлектрик, он взаимодействует с его атомами и деформирует (поляризует) решетку. При перемещении электрона область деформаций смещается вместе с ним, и получается, будто электрон постоянно окружен облаком фононов . Более того, оказывается, что получившаяся обладает квадратичным спектром, то есть имеет некоторую эффективную массу (она немного больше массы «обычного» электрона-квазичастицы). Такая квазичастица называется поляроном . Не следует путать эту квазичастицу с поляритоном , возникающим при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды (фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и так далее).
Поляроны возникают не только в диэлектриках, но и в металлах, полупроводниках, ионных кристаллах и даже ферромагнетиках (смотри «мешок Нагаоки»), а в качестве «ядра» полярона может выступать не только электрон, но и другая заряженная неоднородность. Разумеется, свойства поляронов в разных материалах отличаются. Поляроны играют важную роль для объяснения проводимости ионных кристаллов и полярных полупроводников, спинового переноса в органических полупроводниках и оптического поглощения двумерных материалов.
В этой статье группа ученых под руководством Томаса Киллиана (Thomas Killian) сообщает о спектроскопических наблюдениях ридберговских поляронов в атомов стронция-84. В таких поляронах в качестве «ядра» выступает ридберговский атом - атом, в котором электрон очень сильно возбужден, то есть находится на уровне с очень большим значением главного квантового числа . В результате внутреннюю часть атома можно рассматривать как эффективную частицу с единичным положительным зарядом и большой массой, а в целом атом сильно напоминает обычный атом водорода.
Для начала исследователи приготовили бозе-конденсат, удерживая облако атомы стронция с помощью лазерных лучей (оптически-дипольная ловушка) и охлаждая его до температуры порядка 150 нанокельвинов. Среднее расстояние между соседними атомами в таком конденсате составляло примерно 80 нанометров. Затем ученые ионизировали атомы с помощью коротких (порядка микросекунды) вспышек лазеров с длиной волны 689 и 319 нанометров. В результате один из электронов внешней оболочки атома стронция переходил с s -орбитали на p -орбиталь, а потом перескакивал на s -орбиталь более высокой n -ой оболочки. Наконец, ученые измерили линейный отклик бозе-конденсата, то есть нашли, как амплитуды перехода между основным (невозбужденным) и возбужденным состояниями зависит от частоты возбуждения. В результате исследователи получили, что на низких частотах отклик растет согласно с распределением Гаусса (заштрихованные области на рисунке), а при достижении максимума спектр становится практически постоянным.
Зависимость линейного отклика от частоты возбуждения для различных значений главного квантового числа n ридберговоского атома, образующего полярон. Линиями отмечена теоретически рассчитанная зависимость, точками - экспериментальные данные
F. Camargo et al. / Phys. Rev. Lett.
Также ученые численно исследовали конденсат атомов стронция, чтобы объяснить возникновение поляронов. Действительно, выписывая и диагонализуя гамильтониан ридберговского атома, помещенного в бозе-конденсат, можно получить спектр поляронов (гамильтониан Фрёлиха , Fröhlich Hamiltonian). Для этого физики использовали разработанный ранее подход, основанный на вычислении функциональных детерминантов (functional determinant approach, FDA). Вычисленная теоретически зависимость хорошо объясняла экспериментальные данные, причем ее гауссовая часть отвечала образованию поляронов.
Вообще говоря, обычно физики работают с бозе-конденсатом атомов рубидия-87, и раньше авторы статьи уже пытались разглядеть в нем поляроны. Однако из-за особенностей электронных оболочек ( -wave shape resonance) спектр поглощения ридберговских атомов рубидия сильно зависит от номера уровня n , на котором находится электрон, и это мешает распознать в экспериментальных данных резонансы, отвечающие поляронам. В конденсате атомов стронция-84 такие проблемы не возникают.
В конце прошлого года швейцарские физики из Института квантовой электроники в бозе-конденсате атомов рубидия-87 хиггсовскую и голдстоуновскую моду колебаний, хотя обычно одна из этих мод бывает подавлена. Для этого они удерживали конденсат с помощью лазерных пучков и следили за возникающими в нем возбуждениями с помощью брэгговской спктроскопии.
Дмитрий Трунин
Загрузка...
