Ридберговские атомы (названы в честь Й.Р. Ридберга) – атомы, в которых один их электронов внешней оболочки находится в высоковозбужденном состоянии. Обычно, это атомы щёлочной группы элементов (литий, натрий, рубидий и т. д.), у которых рыхлая внешняя электронная оболочка как раз и состоит из одного электрона. Воздействуя на такой атом лазерным светом определенной длины волны, удается возбуждать внешний электрон в состояния с главным квантовым числом n вплоть до n ~ 1000.
Свойства ридберговских атомов
Основные свойства ридберговских атомов можно увидеть уже из простого квазиклассического описания. Энергия связи такого водородоподобного атома равна

 

(1)

 

где R_y = 27,2 эВ есть постоянная Ридберга, а δ дефект заряда ядра, который при больших n несуществен. Разница энергий между n–ым и n+1–ым уровнями энергии примерно равна

 

(2)

 

Характерный размер атома rn и типичный квазиклассический период обращения электрона равны

 

(3)

(4)

 

где aB = 0,5•10-10 м – боровский радиус, а T₁ ~ 10-16 с.
 

 

***

Помимо известных всем трех фаз – газообразной, жидкой и твердой – вещество может находиться и в менее привычных состояниях. Так, при сверхвысоких температурах это – плазма, ионизованный газ, у которого кинетическая энергия движущихся частиц превалирует над энергией их взаимодействия друг с другом. При сверхвысоких давлениях, которые бывают разве что в космических объектах, возможно существование нейтронной материи. Однако для физики интересны не только устойчивые состояния вещества в конкретных условиях, не менее привлекательны – возбужденные и метастабильные. Для молекул, атомов и ядер последние хорошо известны, как и роль, которую они играют в разных процессах. Часто переход из одного стабильного состояния в другое происходит через некоторое метастабильное промежуточное. Причем в возбужденных или метастабильных состояниях могут находиться не только отдельные частицы (ядра, атомы, молекулы), но и совокупности частиц. Существуют даже метастабильные фазы, некоторые сопутствуют человеку на протяжении его жизни, а иные остаются неизменными веками и тысячелетиями. Примером могут служить стекла и вообще стеклообразное вещество. Так, найдены образцы вулканического стекла возрастом десятки–сотни миллионов лет. А ведь стекло в принципе метастабильно и со временем обязано кристаллизоваться. Таким образом, часто важен не сам факт стабильности изучаемого состояния, а сколь оно распространено и как долго существует.
Мы сосредоточимся на относительно короткоживущих объектах, состоящих целиком из высоковозбужденных атомов и молекул. Напомним, что высоковозбужденные состояния атомов называются ридберговскими. В этой связи газовые или сконденсированные фазы из таких атомов или молекул также называют ридберговскими, причем часто употребляют термин “ридберговское вещество”.
В далеком 1969 г. Л.В.Келдыш пришел к неординарному по тем временам предположению: газ экситонов (элементарных возбуждений в полупроводнике, структура которых напоминает атом водорода) при достаточном сгущении должен сконденсироваться в некоторую жидкоподобную (хотя и метастабильную) фазу. Это предсказание, сделанное “на кончике пера”, как это нередко бывает в науке, вскоре подтвердилось. Исследование электронно-дырочных капель продолжается во всем мире и сейчас, и весьма продуктивно. Позднее, к 80–м годам, появились теоретические работы, предсказывающие переход системы большого числа возбужденных атомов в новое, конденсированное возбужденное состояние. В нем, как упоминалось выше, вещество состоит целиком из возбужденных атомов, и, что особенно важно, время жизни этого состояния может быть огромно – в некоторых случаях намного больше времени жизни изолированных возбужденных атомов.
Атомы возбужденные и метастабильные
Наиболее подробно изучен возбужденный атом водорода. Его энергетический спектр описывается известной формулой:

 

 

где n – главное квантовое число. Волновые функции электрона в атоме водорода также хорошо известны для всех состояний, и с их помощью можно подсчитать средний радиус атома в каждом состоянии

 

 

где a₀ – радиус Бора (0,529 Е). В отличие от энергии, которая определяется только числом n, величина <r> зависит и от орбитального квантового числа I. Как видно из формулы, наиболее “раздут” атом в сферически симметричном состоянии (когда I = 0): в нем электрон в среднем более всего удален от ядра. Какова же структура электронного облака, или точнее – какова вероятность обнаружить электрон на данном расстоянии r от ядра? На рисунке 1 показана радиальная зависимость этой величины для первых трех (n = 1, 2, 3) S–состояний атома водорода (сферически симметричных). Видно, что характерный размер атома действительно быстро растет; электронное облако как бы выталкивается к периферии по мере его возбуждения. При данном n и I=0 электрон в среднем находится на расстоянии 3n²a₀/2 от ядра, проводя основное время в слое толщиной na₀.

 

С ростом уровня возбуждения полное электронное облако «раздувается».
Метастабильные атомы – это возбужденные атомы, излучательный распад которых (переход в основное состояние с испусканием фотонов) запрещен правилами отбора. Вследствие этого их время жизни может быть очень продолжительным. Например, возбужденный атом водорода в метастабильном состоянии 2S1/2 (n =2, l =0, J = 1/2) существует ~2 мс, в то время как у обычных возбужденных атомов распад происходит за 1 мкс. Благодаря значительному времени жизни метастабильные атомы могут накапливаться до относительно высоких концентраций 1012–1014 см–3, оставаясь возбужденными. Снятие возбуждений в таких системах происходит вследствие межатомных столкновений и может затягиваться на макроскопические времена.
Длительное существование характерно, однако, не только для метастабильных атомов, но и всех высоковозбужденных, когда n>>1. Мы уже говорили, что такие атомы, как и их высоковозбужденные состояния, называют ридберговскими. Для атомов всех элементов эти состояния водородоподобны. Причина в том, что при n>>1 внешний электрон почти все время удален от иона на очень большие расстояния. Тем самым он движется в поле положительно заряженного атомного остатка (как в водородном атоме вокруг ядра). Отклонения от этой модели заметны только на близких расстояниях от центра. Спектр ридберговского атома весьма точно описывается формулой

 

 

где d – это поправка Ридберга, иначе называемая квантовым дефектом, которая отражает факт отклонения поля от кулоновского на малых расстояниях. Главная особенность ридберговских состояний – универсальный для всех атомов характер. Время жизни этих состояний растет пропорционально n^9/2 и может достигать миллисекундных значений и более в зависимости от того, насколько велико главное квантовое число n.
 

***

Рассматривается задача о сдвиге и расщеплении высоковозбужденных уровней атома А** в зависимости от расстояния R до поверхности твердого тела. Исследован весь представляющий практический интерес диапазон значений R: от R_cl >> 2n²(n^¾ главное квантовое число, n p 1) до R >> 0, когда половина объема ридберговского атома, заключенного в сфере радиуса R_cl, оказывается "внутри" твердого тела. Рассмотрение проведено в атомной системе единиц и относится к неметаллическим поверхностям.
Задача решается следующим образом. Входящая в интегральное уравнение Липпмана–Швингера функция Грина ридберговского атома разделяется на сильно (G_d)и слабо (G₀)зависящие от энергии E ридберговского электрона части: G = G_d + G₀. Затем в предположении о парности взаимодействия ридберговского электрона с атомами решетки на базисе G₀ методами теории многократного рассеяния строится эффективный псевдопотенциал Q = ,который включается в основное уравнение для оператора сдвига уровней t:

В континуальной модели, когда заменяется на интеграл, термы системы А** + поверхность твёрдого тела с различными значениями проекции m углового момента l ридберговского электрона на направление нормали к поверхности оказываются независимыми друг от друга. Все термы при фиксированных значениях n, m меняются в пределах n = n ± 1/2[n = (–2E)–1/2], причем их число составляет (n – |m| ).
Учет структуры поверхности приводит к слабому взаимодействию между компонентами с различными m, которое проявляется в процессах m–перемешивания при столкновении поляризованных атомов с поверхностью твёрдого тела. Для случая Q_s > 0 были исследованы также процессы l – перемешивания при периферийном отражении ридберговского атома. Показано, что в этих процессах могут существенно проявляться структурные особенности поверхности.
 

 

***

Теоретические исследования показывают, что вещество в определенных условиях может образовывать конденсат возбужденных состояний (КВС/РВ–ридберговское вещество). Цезий, например, в этом состоянии имеет газовую плотность, низкую работу выхода и довольно высокую электропроводность. Это вещество интересно не только как объект физического исследования, но и тем, что условия его образования и ожидаемые свойства таковы, что оно может быть технически просто и с большой эффективностью использовано в термоэмиссионном преобразователе тепловой энергии в электрическую (ТЭП). Группа шведских ученых из Чалмерского университета провела эксперименты, подтверждающие, по их мнению, образование конденсата возбуждённых состояний в межэлектродной среде преобразователя тепловой энергии. Тем не менее, теория конденсации возбуждённых состояний недостаточно поддержана экспериментальными работами.
Мы выполнили экспериментальные исследования, используя технологию, развитую в Чалмерском университете. При решении главной задачи – исследование свойств межэлектродной среды преобразователя тепловой энергии при моделировании условий образования ридберговского вещества – использовались электрофизические и оптические методы исследования электродов и процессов, протекающих в межэлектродной плазме преобразователя электронной энергии. Экспериментальная установка и конструкция преобразователя тепловой энергии позволяли проводить измерение характеристик в двух режимах в зависимости от способа подачи пара цезия в межэлектродное пространство (МЭЗ): классический преобразователь тепловой энергии со стационарным давлением пара цезия (равновесный режим); "открытый" преобразователь тепловой энергии с прокачкой цезия через перфорированный коллектор и МЭЗ (динамический режим). Коллектор преобразователя тепловой энергии представлял собой покрытый углеродом диск из никелевой перфорированной фольги.
Моделирование условий образования ридберговского вещества было начато с динамического режима подачи пара цезия в межэлектродное пространство преобразователя тепловой энергии. При низком давлении пара цезия (менее 0,1 мм рт. ст.) в межэлектродное пространство преобразователя тепловой энергии нам удалось по основным характеристикам преобразователя тепловой энергии повторить "шведские" результаты – снижение эмиссионной работы выхода коллектора с первоначальной величины 1,5 эВ до 1,0 эВ и барьерного индекса от 2,0 эВ вплоть до значения 1,6 эВ.
Столь низкие значения этих величин сохранились при переходе от режима с прокачкой к традиционной равновесной подаче цезия, что является важным и новым в сравнении с данными, полученными в прежние годы. Этот феномен нуждается в дальнейшем изучении, т.к. он не только открывает новое направление в физических исследованиях преобразователей тепловой энергии, но и способствует эффективному решению ряда прикладных задач при создании низкотемпературных высокоэффективных термоэмиссионных преобразователей.
 

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:
• Выяснить, как квантовое описание атома переходит в квазиклассическое при больших n: ведь атом размером с толщину человеческого волоса – это уже почти макроскопический размер.
• Из нескольких состояний с большими 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 квази–одномерным: 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 109 В/см), а внешние поля для них играют роль лишь мелких добавок. Ридберговский электрон чувствует сильно ослабленное поле ядра (E ~ E₀/n⁴), и потому внешние поля могут кардинально исказить 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.

Необычные свойства ридберговских атомов уже находят свои применения
• Квантовые детекторы радиоизлучения: ридберговские атомы могут зарегистрировать даже единичный фотон в радиодиапазоне, что далеко за пределами возможностей обычных антенн.
• Ступенчатый спектр энергий ридберговского электрона служит «энергетическим разновесом», который можно использовать при аккуратном измерении энергий.
• Ридберговские атомы наблюдаются также и в межзвездной среде. Они являются очень чувствительными датчиками давления, созданным для нас самой природой.