تُظهر ذرات ريدبيرج اقترانًا كهربائيًا ثنائي القطب قويًا للذرات بالمجالات الكهرومغناطيسية، وقد تم استخدامها للكشف عن الاتصالات اللاسلكية.

 

ذرة ريدبيرج الكمية

 

ذرة ريدبيرج هي ذرة مثارة بها إلكترون واحد أو أكثر لها رقم كم رئيسي مرتفع جدًا، كلما زادت قيمة n كلما ابتعد الإلكترون عن النواة في المتوسط، وتمتلك ذرات ريدبيرج عددًا من الخصائص المميزة بما في ذلك الاستجابة المبالغ فيها للمجالات الكهربائية والمغناطيسية.

 

إن فترات الاضمحلال الطويلة، هي وظائف الموجات الإلكترونية التي تقارب في ظل بعض الظروف والمدارات الكلاسيكية للإلكترونات حول النوى وتحمي الإلكترونات الأساسية الإلكترون الخارجي من المجال الكهربائي للنواة، بحيث يبدو الجهد الكهربائي من مسافة بعيدة مطابقًا للإلكترون في ذرة الهيدروجين.

 

تاريخ ذرة ريدبيرج الكمية

 

تم إثبات وجود سلسلة ريدبيرج لأول مرة في عام 1885 عندما اكتشف يوهان بالمر صيغة تجريبية بسيطة لأطوال موجات الضوء المرتبطة بالتحولات في الهيدروجين الذري، وبعد ثلاث سنوات قدم الفيزيائي السويدي يوهانس ريدبيرج نسخة معممة وأكثر سهولة من صيغة بالمر التي أصبحت تعرف باسم صيغة ريدبيرج؛ حيث أشارت هذه الصيغة إلى وجود سلسلة لا حصر لها من مستويات الطاقة المنفصلة المتقاربة بشكل أكبر والتي تتقارب في حدود محدودة.

 

تم شرح هذه السلسلة نوعياً في عام 1913 من قبل نيلز بور بنموذجه شبه الكلاسيكي لذرة الهيدروجين، حيث تؤدي القيم الكمية للزخم الزاوي إلى مستويات الطاقة المنفصلة المرصودة، اشتق العالم باولي اشتقاق كمي كامل للطيف المرصود في عام 1926 بعد تطوير ميكانيكا الكم بواسطة فيرنر هايزنبرغ وآخرين.

 

طرق انتاج ذرة ريدبيرج الكمية

 

الحالة الوحيدة المستقرة حقًا للذرة الشبيهة بالهيدروجين هي الحالة الأرضية مع n = 1، حيث تتطلب دراسة حالات ريدبيرج تقنية موثوقة لإثارة ذرات الحالة الأرضية لحالات ذات قيمة كبيرة لـ n.

 

إثارة تأثير الإلكترون

 

اعتمد الكثير من الأعمال التجريبية المبكرة على ذرات ريدبيرج على استخدام الحزم الموازية للإلكترونات السريعة الواقعة على ذرات الحالة الأرضية، ويمكن أن تستخدم عمليات التشتت غير المرنة الطاقة الحركية الإلكترونية لزيادة الطاقة الداخلية للذرات المثيرة لمجموعة واسعة من الحالات المختلفة بما في ذلك العديد من حالات ريدبيرج العالية:

 

هـ ^ {-} + A \ rightarrow A ^ {*} + e ^ {-}

 

نظرًا لأن الإلكترون يمكن أن يحتفظ بأي قدر تعسفي من طاقته الحركية الأولية، فإن هذه العملية تؤدي دائمًا إلى مجموعة ذات انتشار واسع للطاقات المختلفة.

 

الإثارة تبادل تهمة

 

اعتمدت إحدى الركائز الأساسية الأخرى لتجارب ذرات ريدبيرج المبكرة على تبادل الشحنة بين حزمة من الأيونات ومجموعة من الذرات المحايدة من نوع آخر، مما أدى إلى تكوين حزمة من الذرات شديدة الإثارة:

 

A^{+}+B\rightarrow A^{*}+B^{+}

 

ونظرًا لأن الطاقة الحركية للتفاعل يمكن أن تساهم في الطاقات الداخلية النهائية للمكونات، فإن هذه التقنية تسكن نطاقًا واسعًا من مستويات الطاقة.

 

الإثارة البصرية

 

أتاح وصول الليزر الصبغي القابل للضبط في السبعينيات مستوى أكبر بكثير من التحكم في تجمعات الذرات المثارة. في الإثارة الضوئية، ويتم امتصاص الفوتون الساقط بواسطة ذرة الهدف، مما يحدد تمامًا طاقة الحالة النهائية، وتصبح مشكلة إنتاج حالة واحدة مجموعات أحادية الطاقة من ذرات ريدبيرج مشكلة أبسط إلى حد ما للتحكم الدقيق في تردد خرج الليزر:

 

A+\gamma \rightarrow A^{*}

 

يقتصر هذا الشكل من الإثارة الضوئية المباشرة بشكل عام على التجارب مع الفلزات القلوية، لأن طاقة ربط الحالة الأرضية في الأنواع الأخرى عالية بشكل عام، بحيث لا يمكن الوصول إليها مع معظم أنظمة الليزر، وبالنسبة للذرات ذات طاقة ربط إلكترون تكافؤ كبيرة؛ أي تعادل طاقة التأين الأولى الكبيرة، ولا يمكن الوصول إلى الحالات المثارة لسلسلة ريدبيرج باستخدام أنظمة الليزر التقليدية.

 

يمكن أن تعوض الإثارة التصادمية الأولية نقص الطاقة مما يسمح باستخدام الإثارة الضوئية لتحديد الحالة النهائية، وعلى الرغم من أن الخطوة الأولية تثير مجموعة واسعة من الحالات الوسيطة، فإن الدقة الكامنة في عملية الإثارة الضوئية تعني أن ضوء الليزر يتفاعل فقط مع مجموعة فرعية معينة من الذرات في حالة معينة، مما يثير الحالة النهائية المختارة.

 

تطبيقات ذرة ريدبيرج

 

  • قياسات دقيقة لذرات ريدبيرج المحاصرة: تعد مدة عمر الاضمحلال الإشعاعي للذرات في الحالات غير المستقرة إلى الحالة الأرضية ذات أهمية كبيرة في فهم ملاحظات الفيزياء الفلكية واختبارات النموذج القياسي.

 

التحقيق في التأثيرات المغناطيسية: تؤدي الأحجام الكبيرة وطاقات الربط المنخفضة لذرات ريدبيرج إلى قابلية مغناطيسية عالية، ونظرًا لأن التأثيرات النقطية المغناطيسية تتناسب مع مساحة المدار والمساحة متناسبة مع مربع نصف القطر ( 4 )، فإن التأثيرات التي يستحيل اكتشافها في ذرات الحالة الأرضية تصبح واضحة في ذرات ريدبيرج، والتي تظهر تحولات مغناطيسية كبيرة جدًا.توضح ذرات ريدبيرج اقترانًا قويًا ثنائي القطب من الذرات بالمجالات الكهرومغناطيسية وقد تم الاستفادة منها في الكشف عن الاتصالات اللاسلكية.

 

في البلازما: تتشكل ذرات ريدبيرج بشكل شائع في البلازما بسبب إعادة تركيب الإلكترونات والأيونات الموجبة؛ ينتج عن إعادة التركيب منخفض الطاقة ذرات ريدبيرج مستقرة إلى حد ما، في حين أن إعادة تركيب الإلكترونات والأيونات الموجبة ذات الطاقة الحركية العالية غالبًا ما تشكل حالات ريدبيرج ذاتية التأين.

 

تعد أحجام ذرات ريدبيرج الضخمة وسماحتها للاضطراب والتأين عن طريق المجالات الكهربائية والمغناطيسية عاملاً مهمًا في معرفة خصائص البلازما، وينتج تكثف ذرات ريدبيرج مادة ريدبيرج، والتي غالبًا ما تُلاحظ في شكل عناقيد طويلة العمر، حيث يتم منع إزالة الإثارة بشكل كبير في مادة ريدبيرج عن طريق تأثيرات الارتباط التبادلي في سائل الإلكترون غير المنتظم الذي يتألف من التكثيف عن طريق إلكترونات التكافؤ الجماعية؛ مما يعمل على إطالة عمر المجموعات.

 

  • في الفيزياء الفلكية: لقد تم اقتراح  أن ذرات ريدبيرج متواجدة بكثرة في الفضاء بين النجوم ويمكن رؤيتها من الأرض، وبسبب أن الكثافة في جوف سحب الغاز بين النجوم هي أقل بكثير من أفضل الفراغات المختبرية التي يمكن عملها على الأرض، فإن حالات ريدبيرج يمكن أن تبقى لفترات طويلة من الزمن دون أن تتلف بسبب الاصطدامات.

 

  • تفاعل الأنظمة بقوة: نظرًا لضخامتها، يمكن لذرات ريدبيرج أن تبين لحظات ثنائية القطب كبيرة جدًا، وتبين الحسابات عن طريق نظرية الاضطراب أن هذا يعمل على تفاعلات قوية بين ذرتين متقاربتين من ريدبيرج.

 

إن التحكم المتماسك في هذه التفاعلات التي تحدث، ومع عمرها الطويل نسبيًا يجعلها مرشحًا جيدا لتحقيق جهاز كمبيوتر كمي، وفي عام 2010 تم بناء بوابتين كيوبت تجريبيًا، حيث تعرف ذرات ريدبيرج شديدة التفاعل أيضًا بالسلوك الكمي النقدي، مما يجعلها مثيرة للاهتمام للدراسة بمفردها.

 

منذ عام 2000، يشمل بحث ذرات ريدبيرج خمسة اتجاهات؛ وهي الاستشعار، البصريات الكمومية والحساب الكمي ومحاكاة الكم ومسائل الكم وتُستخدم لحظات ثنائية القطب عالية بين حالات ريدبيرج الذرية للترددات الراديوية واستشعار تيراهيرتز والتصوير بما في ذلك القياسات غير القابلة للهدم لفوتونات الميكروويف الفردية، وقد تم استخدام الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا مع تفاعلات قوية بين ذرتين متحمستين في حالة ريدبيرج لتوفير وسيط يُظهر سلوكًا غير خطي بقوة على مستوى الفوتونات الضوئية الفردية.