imported>InternetArchiveBot: Спасено источников — 1, отмечено мёртвыми — 0. Сообщить об ошибке. См. FAQ.) #IABot (v2.0.9.5) (Movses - 28661

2026-02-14T14:44:17Z

Спасено источников — 1, отмечено мёртвыми — 0. Сообщить об ошибке. См. FAQ.) #IABot (v2.0.9.5) (Movses - 28661

Новая страница

[[Файл:Lithium levels.png|400px|right|Уровни [[лития]]]]'''Ри́дберговские а́томы''' (названы в честь [[Ридберг, Йоханнес Роберт|Й. Р. Ридберга]]) — [[Водородоподобный атом|водородоподобные атомы]] и [[атом]]ы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбуждённом состоянии (вплоть до уровней {{math|''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{{sup|6}} раз для {{nobr|{{math|''n''}} {{=}} 1000}}.

== Свойства ридберговских атомов ==
Электрон, вращающийся на орбите радиуса {{math|''r''}} вокруг ядра, по [[второй закон Ньютона|второму закону Ньютона]] испытывает силу
: <math> \mathbf{F} = m\mathbf{a} \Rightarrow \frac{ke^2}{r^2} = \frac{mv^2}{r},</math>
где <math>k = 1 / (4 \pi \epsilon_0)</math> (<math>\epsilon_0</math> — [[диэлектрическая восприимчивость]]), {{math|''e''}} — заряд электрона.

Орбитальный момент в единицах {{math|''ħ''}} равен
: <math> mvr = n\hbar. </math>

Из этих двух уравнений получим выражение для орбитального радиуса электрона, находящегося в состоянии {{math|''n''}}:
: <math> r = \frac{n^2\hbar^2}{ke^2m}. </math>

[[Файл:RydbergState.png|thumb|350px|right|Схема лазерного возбуждения атома рубидия в ридберговское состояние]]
Энергия связи такого водородоподобного атома равна
: <math>W_n = \frac{\mathrm{Ry}}{(n - \delta)^2},</math>
где {{nobr|{{math|Ry}} {{=}} 13,6 [[Электронвольт|эВ]]}} есть [[постоянная Ридберга]], а {{math|δ}} — [[дефект заряда ядра]], который при больших {{math|''n''}} несущественен. Разница энергий между {{math|''n''}}-м и {{math|(''n'' + 1)}}-м уровнями энергии равна
: <math>\Delta W \equiv W_n - W_{n+1} \approx \frac{\mathrm{Ry}}{n^3}.</math>

Характерный размер атома {{math|''rn''}} и типичный квазиклассический период обращения электрона равны
: <math>r_n \approx a_\text{B} n^2, \quad T_n \approx T_1 n^3,</math>
где {{nobr|{{math|''a''{{sub|B}}}} {{=}} 0,5{{e|−10}} м}} — [[боровский радиус]], а {{nobr|{{math|''T''{{sub|1}}}} ~ 10{{sup|−16}} с}}.

{| class="standard"
|+ Параметры первого возбуждённого и ридберговского состояний [[Атом водорода|атома водорода]]<ref name="Delone" />
! [[Главное квантовое число]], <math>n</math>
! Первое возбуждённое состояние, <math>n = 2</math>
! Ридберговское состояние, <math>n = 1000</math>
|-
| {{s|Энергия связи электрона в атоме (потенциал ионизации), эВ}}
| ≃ 5
| ≃ 10{{sup|−5}}
|-
| Размер атома (радиус орбиты электрона), м
| ~ 10{{sup|−10}}
| ~ 10{{sup|−4}}
|-
| Период обращения электрона по орбите, с
| ~ 10{{sup|−16}}
| ~ 10{{sup|−7}}
|-
|[[Время жизни квантовомеханической системы|Естественное время жизни]], с
| ~ 10{{sup|−8}}
| ~ 1
|}

=== 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, находящимися в основном состоянии, велико, и взаимодействия между атомами практически нет. Однако, при возбуждении атомов в ридберговское состояние их радиус орбиты увеличивается в <math>n^2</math> 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 ридберговское состояние. Попытка заселить тот же уровень другим атомом из-за «дипольной блокады» становится заведомо невозможной, так как ридберговское состояние второго атома из-за взаимодействия с первым атомом изменит энергию и, следовательно, будет «вне» резонанса с частотой фотона.<ref name="Collective excitations">{{статья |заглавие=Evidence for Coherent Collective Rydberg Excitation in the Strong Blockade Regime |издание=[[Physical Review Letters]] |том=99 |номер=16 |страницы=163601 |ссылка=http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601 |doi=10.1103/PhysRevLett.99.163601 |id={{arXiv|quant-ph|0701120}} |язык=en |тип=journal |автор=R. Heidemann et al. |год=2007}}</ref>.

Когерентное управление дипольной блокадой ридберговских атомов лазерным светом делает их перспективным кандидатом для практической реализации [[Квантовый компьютер|квантового компьютера]].<ref name="Jaksch gate">{{статья|заглавие=Fast Quantum Gates for Neutral Atoms|издание=[[Physical Review Letters]]|doi=10.1103/PhysRevLett.85.2208|том=85|номер=10|страницы=2208—2211|arxiv=quant-ph/0004038|pmid=10970499|bibcode=2000PhRvL..85.2208J|язык=en|автор=D. Jaksch; J. I. Cirac; P. Zoller; S. L. Rolston; R. Côté; M. D. Lukin|год=2000|тип=journal|ссылка=|месяц=|число=|issn=}}</ref>
По сообщениям научной печати, до 2009 года важный для вычислений элемент квантового компьютера двух-[[кубит]]ный [[Квантовый вентиль|вентиль]] экспериментально не был реализован. Однако, имеются сообщения о наблюдении коллективного возбуждения и динамического взаимодействия между двумя атомами<ref name="Gaetan2009">{{статья |заглавие=Observation of collective excitation of two individual atoms in the Rydberg blockade regime |издание=[[Nature Physics]] |том=5 |номер=2 |страницы=115—118 |doi=10.1038/nphys1183 |arxiv=0810.2960 |bibcode=2009NatPh...5..115G |язык=en |тип=journal |автор=A. Gaetan; Miroshnychenko, Yevhen; Wilk, Tatjana; Chotia, Amodsen; Viteau, Matthieu; Comparat, Daniel; Pillet, Pierre; Browaeys, Antoine; Grangier, Philippe |год=2009}}</ref><ref name="Urban2009">{{статья |заглавие=Observation of Rydberg blockade between two atoms |издание=[[Nature Physics]] |том=5 |номер=2 |страницы=110—114 |doi=10.1038/nphys1178 |arxiv=0805.0758 |bibcode=2009NatPh...5..110U |язык=en |автор=E. Urban; Johnson, T. A.; Henage, T.; Isenhower, L.; Yavuz, D. D.; Walker, T. G.; Saffman, M. |год=2009 |тип=journal}}</ref> и в [[Мезоскопическая физика|мезоскопических]] образцах<ref name="Collective excitations"/>.

Сильно взаимодействующие ридберговские атомы характеризуются [[:en:Quantum critical point|квантовым критическим]] поведением, что обеспечивает фундаментальный научный интерес к ним независимо от приложений<ref name="Quantum critical behavior">{{статья |заглавие=Quantum Critical Behavior in Strongly Interacting Rydberg Gases |издание=[[Physical Review Letters]] |doi=10.1103/PhysRevLett.101.250601 |том=101 |номер=25 |страницы=250601 |arxiv=0806.3754 |pmid=19113686 |bibcode=2008PhRvL.101y0601W |язык=en |тип=journal |автор=H. Weimer; Low, Robert; Pfau, Tilman; Buchler, Hans Peter |год=2008}}</ref>.

== 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:
* Из нескольких состояний с большими {{math|''n''}} можно составить волновой пакет, который будет более-менее локализован в пространстве. Если при этом большим будет и орбитальное квантовое число, то мы получим почти классическую картинку: локализованное электронное облако вращается вокруг ядра на большом расстоянии от него.
* Если орбитальный момент мал, то движение такого волнового пакета будет '''квазиодномерным''': электронное облако будет удаляться от ядра и снова приближаться к нему. Это аналог сильно вытянутой эллиптической орбиты в классической механике при движении вокруг Солнца.
* Поведение ридберговского электрона во внешних электрических и магнитных полях. Обычные электроны, находящиеся близко к ядру, в основном чувствуют сильное электростатическое поле ядра (порядка 10{{sup|9}} В/см), а внешние поля для них играют роль лишь мелких добавок. Ридберговский электрон чувствует сильно ослабленное поле ядра (порядка {{math|''E''{{sub|0}} / ''n''{{sup|4}}}}), и потому внешние поля могут кардинально изменить движение электрона.
* Интересными свойствами обладают атомы с двумя ридберговскими электронами, причем один электрон «крутится» вокруг ядра на большем расстоянии, чем другой. Такие атомы называются '''планетарными'''.
* По одной из гипотез, из ридберговского вещества состоит [[шаровая молния]]<ref>{{Cite web |url=https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/83/11/2283/512301/Cohesion-in-ball-lightning |title=Cohesion in ball lightning |archive-date=2026-02-01 |access-date=2025-06-03 |archive-url=https://web.archive.org/web/20260201144558/https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/83/11/2283/512301/Cohesion-in-ball-lightning |url-status=live }}</ref>.

В 2009 году исследователями из [[Университет Штутгарта|университета Штутгарта]] удалось получить {{нп3|ридберговская молекула|ридберговскую молекулу||Rydberg molecule}}<ref>{{Cite web |url=http://www.membrana.ru/lenta/?9250 |title=membrana.ru «Впервые в мире получена молекула Ридберга» |access-date=2009-04-24 |archive-date=2010-09-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20100924114555/http://www.membrana.ru/lenta/?9250 |url-status=dead }}</ref>.

== 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 {{nobr|λ ≃ 3,4 см}}. Эта длина волны соответствует переходу между ридберговскими состояниями {{nobr|{{math|''n''́}} {{=}} 91}} и {{nobr|{{math|''n''}} {{=}} 90}} в спектре атома водорода<ref name="Delone">''[[Делоне, Николай Борисович (младший)|Делоне Н. Б.]]'' [http://window.edu.ru/window/library?p_rid=21028 Ридберговские атомы] // [[Соросовский образовательный журнал]], 1998, № 4, с. 64-70</ref>.

== Примечания ==
{{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. Возбуждённые атомы. М.: Энергоиздат, 1982. Гл. 6.

== Ссылки ==
* ''[[Делоне, Николай Борисович (младший)|Делоне Н. Б.]]'' [http://window.edu.ru/window/library?p_rid=21028 Ридберговские атомы] // [[Соросовский образовательный журнал]], 1998, № 4, с. 64-70
* [http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_01/RIDBERG.HTM «Конденсированное ридберговское вещество»], Э. А. Маныкин, М. И. Ожован, П. П. Полуэктов, статья из журнала «Природа» N1, 2001.
*[[doi:10.1088/978-0-7503-1635-4|''Rydberg Physics'', Nikola Šibalić and Charles S Adams, IOP Publishing (2018)]]

[[Категория:Атомная физика]]
[[Категория:Атомы]]

Ридберговские атомы - История изменений

imported>InternetArchiveBot: Спасено источников — 1, отмечено мёртвыми — 0. Сообщить об ошибке. См. FAQ.) #IABot (v2.0.9.5) (Movses - 28661