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.
 

 

***

Ученые из американского Национального института стандартов провели исследование поведения ультрахолодной нейтральной плазмы. Плазма получалась путем фотоионизации охлажденных до температуры 10 микрокельвинов метастабильных атомов ксенона. В процессе расширения плазмы контролировалось количество образовавшихся ридберговских атомов. Было установлено, что (через некоторое время после образования плазмы) число ридберговских атомов начинает увеличиваться с уменьшением плотности плазмы. Для объяснения увеличения выхода ридберговских атомов в рамках стандартной модели необходимо было бы предположить, что при расширении плазмы происходит ее охлаждение до температур менее 1 милликельвина (однако в таком случае возникают другие вопросы). Также скорость расширения плазмы превышает ту, что следовало бы ожидать в рамках обычной модели.
Авторы предполагают, что наблюдаемые расхождения с теорией могут быть связаны с тем, что простая модель трехчастичной рекомбинации плохо работает для ультрахолодной плазмы. В обычной высокотемпературной плазме отношение потенциальной энергии взаимодействия к тепловой энергии электронов мало, однако при низких температурах ситуация меняется. Когда отношение энергии кулоновского взаимодействия к тепловой энергии становится близким к единице, возможно возникновение многочастичных корреляций в системе ионов и электронов (образование "жидкости" вместо газа). Исследователи полагают, что именно возникающие корреляции ответственны за наблюдающееся в процессе расширения плазмы увеличение числа ридберговских атомов.
 

***

Атом является микроскопическим объектом лишь в том случае, когда он находится в основном из первых возбуждённых состояний. Если атом находится в высоковозбуждённом (ридберговском) состоянии, все его свойства совершенно другие. В частности, ридберговский атом является макроскопическим объектом.
Увеличение размера атома при возбуждении атомного электрона качественно следует из обычной схемы атома, изображённой на рисунке 1. На этом рисунке V = –e₂/r – кулоновское взаимодействие двух зарядов: положительного заряда ядра (+e) и отрицательного заряда атомного электрона (–e). Исходя из зависимости V ~ 1/r, не надо, однако, полагать, что увеличение расстояния электрона от ядра при возбуждении электрона ничем не ограничено. Это расстояние во всяком случае ограничено из–за наличия у каждого возбуждённого состояния электрона конечной ширины, обусловленной квазистационарной природой возбуждённых состояний, в которых электрон находится лишь конечное время, а потом переходит в основное стационарное состояние.
Как видно из рисунка 1, могут реализоваться ридберговские атомы, размер которых в 106 раз превышает размер атома, находящегося в основном состоянии. Такие ридберговские атомы имеют размер порядка 10–2 мм, что представляет собой уже вполне макроскопическую величину. В частности, размер такого ридберговского атома в 100 раз превышает размер длины световой волны.
После вводных замечаний обратимся последовательно к выводу и обсуждению основных параметров, характеризующих ридберговские атомы, к методам их создания и наблюдения.

Электрон, находящийся в различных возбуждённых состояниях E_ni, характеризуемых различными квантовыми числами ni, находится на различных расстояниях от ядра r_i.
 

 

***

Интерес к процессам столкновительной ионизации ридберговских атомов в настоящее время связан со значительным расхождениями между экспериментальными данными и предсказаниями теоретической модели процесса, известной как модель DSMJ. В ходе работы была проведена существенная модернизация теоретической модели, включавшая в себя учет различных распределений по скоростям сталкивающихся частиц в одиночном пучке, газовой ячейке и скрещенных пучках; перемешивания ридберговских состояний в результате переходов, индуцированных тепловым излучением; столкновительного перемешивания состояний с различными орбитальными моментами; закручивания сталкивающихся атомов вследствие их поляризации и стохастической диффузии ридберговского электрона по энергетическому спектру в процессе столкновения. Впервые систематически измерены константы скорости ассоциативной ионизации 

ридберговских nS и nD состояний(n=8–20). Разработана новая методика измерений, основанная на использовании ионизационного сигнала тепловой фотоионизации ридберговских атомов

Na в качестве опорного. Это позволило исключить из рассмотрения число первоначально возбужденных ридберговских атомов и эффективное время взаимодействия, представляющие трудность для измерения. Скорости тепловой фотоионизации ридберговских атомов были теоретически рассчитаны и измерены.
Сравнение экспериментально измеренных констант скорости ассоциативной ионизации с расчетными показало, что проведенная модернизация теоретической модели DSMJ позволяет существенно улучшить согласие теории и эксперимента по абсолютной величине. Для скрещенных пучков наблюдается также хорошее согласие между экспериментом и теорией, как по абсолютной величине, так и по форме зависимостей констант скорости ионизации от главного квантового числа n, в то время как формы теоретических и экспериментальных зависимостей для одиночного пучка остаются различными, что указывает на необходимость дальнейшего совершенствования теории.
 

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.