Тяжелая система Ридберга

Тяжелая ридберговская система состоит из слабо связанных положительного и отрицательного иона, вращающихся вокруг их общего центра масс. Такие системы имеют много общих свойств с обычным атомом Ридберга , и поэтому их иногда называют тяжелыми атомами Ридберга. Хотя такая система представляет собой тип ионно-связанной молекулы, ее не следует путать с молекулярным состоянием Ридберга, которое представляет собой просто молекулу с одним или несколькими высоковозбужденными электронами.

Своеобразные свойства атома Ридберга обусловлены большим разделением зарядов и возникающим в результате водородным потенциалом. Чрезвычайно большое расстояние между двумя компонентами тяжелой ридберговской системы приводит к почти идеальному водородному потенциалу 1/r, наблюдаемому каждым ионом. Положительный ион можно рассматривать как аналог ядра атома водорода, где отрицательный ион играет роль электрона.

Разновидность

На сегодняшний день наиболее изученной системой является ЧАС ⁺ /ЧАС ⁻ система, состоящая из протона, связанного с ЧАС ⁻ ион. ЧАС ⁺ /ЧАС ⁻ Система была впервые обнаружена в 2000 году группой ученых из Университета Ватерлоо в Канаде .

Формирование ЧАС ⁻ ион можно понимать классически; поскольку единственный электрон в атоме водорода не может полностью защитить положительно заряженное ядро, другой электрон, оказавшийся в непосредственной близости, почувствует силу притяжения. Хотя это классическое описание удобно для понимания вовлеченных взаимодействий, оно является чрезмерным упрощением; многие другие атомы имеют большее сродство к электрону, чем водород. В общем, процесс образования отрицательного иона обусловлен заполнением атомных электронных оболочек с образованием конфигурации с более низкой энергией.

Лишь небольшое количество молекул было использовано для создания тяжелых ридберговских систем, хотя в принципе любой атом с положительным сродством к электрону может связываться с положительным ионом. Используемые виды включают О ₂ , H ₂ S и ВЧ . Фтор и кислород особенно предпочтительны из-за их высокого сродства к электрону, высокой энергии ионизации и, следовательно, высокой электроотрицательности .

Производство

Трудность в создании тяжелых ридберговских систем возникает при поиске энергетического пути, по которому молекула может быть возбуждена с энергией, достаточной для образования ионной пары, без достаточной внутренней энергии, чтобы вызвать автодиссоциацию (процесс, аналогичный автоионизации в атомах) или быстрая диссоциация из-за столкновений или локальных полей .

В настоящее время производство тяжелых ридберговских систем основано на сложном вакуумном ультрафиолетовом излучении (названном так потому, что оно сильно поглощается воздухом и требует помещения всей системы в вакуумную камеру) или многофотонных переходах (основанных на поглощении нескольких фотонов почти одновременно). ), оба из которых довольно неэффективны и приводят к образованию систем с высокой внутренней энергией.

Функции

Длина связи в тяжелой ридберговской системе в 10 000 раз больше, чем в типичной двухатомной молекуле . Это не только приводит к характерному водородоподобному поведению, но и делает их чрезвычайно чувствительными к возмущениям со стороны внешних электрических и магнитных полей.

Тяжелые системы Ридберга имеют относительно большую приведенную массу , определяемую как:

$\mu ={m_{1}m_{2} \over m_{1}+m_{2}}$

Это приводит к очень медленной временной эволюции, что позволяет легко манипулировать ими как пространственно, так и энергетически, в то время как их низкая энергия связи делает их относительно простыми для обнаружения посредством полевой диссоциации и обнаружения образующихся ионов в процессе, известном как пороговая ионная пара. производственная спектроскопия .

Третий закон Кеплера гласит, что период орбиты пропорционален кубу большой полуоси ; это можно применить к силе Кулона :

$\tau ^{2}={4\pi ^{2}\mu \over kZe^{2}}a^{3}$

где $\tau$ это период времени, $\mu$ - приведенная масса, $a$ - большая полуось и $k=1/(4\pi \epsilon _{0})$.

Классически можно сказать, что система с большой приведенной массой имеет большой орбитальный период. С квантовой механики большая приведенная масса в системе приводит к узкому расстоянию между энергетическими уровнями , и скорость эволюции волновой функции во времени зависит от этого энергетического расстояния. Эта медленная эволюция во времени делает тяжелые ридберговские системы идеальными для экспериментального исследования динамики квантовых систем.