Materia di Rydberg

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La materia di Rydberg è una fase della materia formata da atomi di Rydberg; fu predetta intorno al 1980 da É. A. Manykin, M. I. Ozhovan e P. P. Poluéktov.[1][2] È stata formata da vari elementi come il cesio,[3] potassio,[4] idrogeno[5][6] e azoto;[7] sono stati condotti degli studi su possibilità teoriche come sodio, berillio, magnesio e calcio.[8]

È stato suggerito essere un materiale derivato da bande interstellari diffuse[9]; stati di Rydberg circolari[10], dove l'elettrone periferico giace in un'orbita circolare planare, sono i più stabili con tempi di vita di diverse ore[11] e sono i più comuni.[12][13][14] Quest'ipotesi, però, generalmente non è accettata dalla comunità astronomica.

Fisica

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La materia di Rydberg è costituita da[15] aggregati esagonali[16][17] planari[18]; questi non possono essere molto grandi a causa dell'effetto di ritardo causato dalla velocità della luce di valore finito.[18] Quindi, non si trovano né allo stato gassoso, né sotto forma di plasma; né allo stato solido né in quello liquido; piuttosto sono molto simili a plasma polveroso con piccoli aggregati gassosi. Sebbene la materia di Rydberg possa essere studiata in laboratorio attraverso laser probing[19] (l'agglomerato più grande trovato ha soli 91 atomi[6]) tuttavia è stato provato che essa può essere trovata dietro estese nuvole nello spazio[9][20] e nell'atmosfera superiore dei pianeti.[21] Il Bonding nella materia di Rydberg è causato dalla delocalizzazione di elettroni energetici che formano uno stato complessivo di bassa energia.[2] Gli elettroni si delocalizzano in modo da formare onde stazionarie su anelli intorno ai nuclei, creando un momento angolare quantizzato e definendo le caratteristiche della materia di Rydberg. I moti vibrazionali ed elettronici dei legami atomici possono essere studiati attraverso la spettroscopia Raman.[22]

Tempo di vita

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A causa di ragioni ancora in discussione, tra cui la mancanza di un metodo di osservazione degli aggregati,[23] la materia di Rydberg è fortemente stabile contro la disintegrazione da emissione di radiazione; il tempo di vita caratteristico di un aggregato ad n = 100 è 17 secondi.[24] I motivi includono la mancanza di sovrapposizione tra stati eccitati e di terra, transizioni proibite tra loro ed effetti di cambio di correlazione che ostacolano l'emissione per tunneling (E.A. Manykin, M.I. Ojovan Pagina 57); tutto ciò causa un lungo ritardo nell'esaurimento dell'eccitazione.[25] L'eccitazione gioca un ruolo importante nella definizione del tempo di vita: maggiore è l'eccitazione, maggiore sarà il tempo di vita;[26] n = 80 fornisce una tempo di vita confrontabile con l'età dell'universo.[27]

Eccitazioni

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Nei metalli ordinari, le distanze interatomiche sono quasi costanti in un'ampia fascia di valori di temperatura e pressione; questo non vale con la materia di Rydberg, in cui le distanze e le proprietà della materia stessa variano enormemente con le eccitazioni. Una variabile chiave che serve a determinare queste proprietà è il numero quantico principale n che può essere qualsiasi intero maggiore di 1; il più grande valore è circa 100.[27][28] La distanza di legame d nella materia di Rydberg è data da

dove a0 è il raggio di Bohr. Il fattore di approssimazione 2.9 fu inizialmente determinato per via sperimentale, poi misurato in diversi aggregati con la spettroscopia rotazionale.[17]

Condensazioni

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n d (nm) D (cm−3)
1 0.153 2.8 × 1023
4 2.45
5 3.84
6 5.52
10 15.3 2.8 × 1017
40 245
80 983
100 1534 2.8 × 1011

Come i bosoni che possono condensare nel Condensato di Bose-Einstein, così la materia di Rydberg si può condensare, ma non nello stesso modo dei bosoni. La ragione di ciò è che la materia di Rydberg si comporta come un gas, cioè non può condensarsi senza che si rimuova l'energia di condensazione; se non è fatto, si verifica la ionizzazione. Le soluzioni a questo problema prevedono l'utilizzo in qualche modo di una superficie adiacente; la migliore sarebbe far evaporare gli atomi della materia di Rydberg e lasciare l'energia di condensazione sulla superficie.[29] Utilizzando atomi di cesio, superfici di grafite e convertitori termoionici come contenimento, è stata misurata la funzione di estrazione sulla superficie risultando 0.5 eV,[30] indicando che l'aggregato è tra il nono ed il quattordicesimo livello di eccitazione.[25] La tabella a destra riassume il calcolo di d fatto a diversi valori di densità D.

Note

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  1. ^ É.A. Manykin, M.I. Ozhovan, P.P. Poluéktov, Transition of an excited gas to a metallic state, in Sov. Phys. Tech. Phys. Lett., vol. 6, 1980, p. 95.
  2. ^ a b É.A. Manykin, M.I. Ozhovan, P.P. Poluéktov, On the collective electronic state in a system of strongly excited atoms, in Sov. Phys. Dokl., 26, 1981, pp. 974–975, Bibcode:1981SPhD...26..974M.
  3. ^ V.I. Yarygin, V.N. Sidel’nikov, I.I. Kasikov, V.S. Mironov, and S.M. Tulin, Experimental Study on the Possibility of Formation of a Condensate of Excited States in a Substance (Rydberg Matter), in JETP Letters, vol. 77, 2003, p. 280, Bibcode:2003JETPL..77..280Y, DOI:10.1134/1.1577757.
  4. ^ S. Badiei and L. Holmlid, Neutral Rydberg Matter clusters from K: Extreme cooling of translational degrees of freedom observed by neutral time-of-flight, in Chemical Physics, vol. 282, 2002, pp. 137–146, Bibcode:2002CP....282..137B, DOI:10.1016/S0301-0104(02)00601-8.
  5. ^ S. Badiei and L. Holmlid, Experimental studies of fast fragments of H Rydberg matter, in Journal of Physics B, vol. 39, 2006, pp. 4191–4212, Bibcode:2006JPhB...39.4191B, DOI:10.1088/0953-4075/39/20/017.
  6. ^ a b J. Wang, Rydberg Matter clusters of hydrogen (H2)N* with well-defined kinetic energy release observed by neutral time-of-flight, in Chemical Physics, vol. 277, 2002, p. 201, Bibcode:2002CP....277..201W, DOI:10.1016/S0301-0104(02)00303-8.
  7. ^ S. Badiei and L. Holmlid, Rydberg Matter of K and N2: Angular dependence of the time-of-flight for neutral and ionized clusters formed in Coulomb explosions, in International Journal of Mass Spectrometry, vol. 220, 2002, p. 127, DOI:10.1016/S1387-3806(02)00689-9.
  8. ^ A.V. Popov, Search for Rydberg matter: Beryllium, magnesium and calcium, in Czechoslovak Journal of Physics, vol. 56, 2006, pp. B1294, Bibcode:2006CzJPh..56B1294P, DOI:10.1007/s10582-006-0365-2.
  9. ^ a b L. Holmlid, The diffuse interstellar band carriers in interstellar space: All intense bands calculated from He doubly excited states embedded in Rydberg Matter, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 384, 2008, pp. 764–774, Bibcode:2008MNRAS.384..764H, DOI:10.1111/j.1365-2966.2007.12753.x.
  10. ^ J. Liang, M. Gross, P. Goy, S. Haroche, Circular Rydberg-state spectroscopy, in Physical Review A, vol. 33, 1986, pp. 4437–4439, Bibcode:1986PhRvA..33.4437L, DOI:10.1103/PhysRevA.33.4437, PMID 9897204.
  11. ^ R.L. Sorochenko, Postulation, detection and observations of radio recombination lines, in M.A. Gordon, R.L. Sorochenko (a cura di), Radio recombination lines: 25 years of investigation, Kluwer, 1990, p. 1, ISBN 0-7923-0804-2.
  12. ^ L. Holmlid, Direct observation of circular Rydberg electrons in a Rydberg Matter surface layer by electronic circular dichroism, in Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 19, 2007, p. 276206, Bibcode:2007JPCM...19A6206H, DOI:10.1088/0953-8984/19/27/276206.
  13. ^ L. Holmlid, Stimulated emission spectroscopy of Rydberg Matter: observation of Rydberg orbits in the core ions, in Applied Physics B, vol. 87, 2007, pp. 273–281, Bibcode:2007ApPhB..87..273H, DOI:10.1007/s00340-007-2579-9.
  14. ^ L. Holmlid, Nuclear spin transitions in the kHz range in Rydberg Matter clusters give precise values of the internal magnetic field from orbiting Rydberg electrons, in Chemical Physics, vol. 358, 2009, pp. 61–67, Bibcode:2009CP....358...61H, DOI:10.1016/j.chemphys.2008.12.019.
  15. ^ L. Holmlid, "Clusters HN+ (N = 4, 6, 12) from condensed atomic hydrogen and deuterium indicating close-packed structures in the desorbed phase at an active catalyst surface". Surf. Sci. 602 (2008) 3381–3387.
  16. ^ L. Holmlid, "Precision bond lengths for Rydberg Matter clusters K19 in excitation levels n = 4, 5 and 6 from rotational radio-frequency emission spectra". Mol. Phys. 105 (2007) 933–939.
  17. ^ a b L. Holmlid, "Rotational spectra of large Rydberg Matter clusters K37, K61 and K91 give trends in K-K bond distances relative to electron orbit radius". J. Mol. Struct. 885 (2008) 122–130.
  18. ^ a b L. Holmlid, "Classical energy calculations with electron correlation of condensed excited states – Rydberg Matter". Chem. Phys. 237 (1998) 11–19. DOI: 10.1016/S0301-0104(98)00259-6
  19. ^ H. Åkesson, S. Badiei and L. Holmlid, "Angular variation of time-of-flight of neutral clusters released from Rydberg Matter: primary and secondary Coulomb explosion processes". Chem. Phys. 321 (2006) 215–222.
  20. ^ L. Holmlid, "Amplification by stimulated emission in Rydberg Matter clusters as the source of intense maser lines in interstellar space". Astrophys. Space Sci. 305 (2006) 91–98.
  21. ^ L. Holmlid, "The alkali metal atmospheres on the Moon and Mercury: explaining the stable exospheres by heavy Rydberg Matter clusters". Planet. Space Sci. 54 (2006) 101–112.
  22. ^ L. Holmlid, "Vibrational transitions in Rydberg Matter clusters from stimulated Raman and Rabi-flopping phase-delay in the infrared". J. Raman Spectr. 39 (2008) 1364–1374.
  23. ^ Leif Holmlid, Conditions for forming Rydberg matter: condensation of Rydberg states in the gas phase versus at surfaces, in Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 14, 2002, p. 13469, DOI:10.1088/0953-8984/14/49/305.
  24. ^ I. L. Beigman and V. S. Lebedev, "Collision theory of Rydberg atoms with neutral and charged particles". Phys. Rep. 250, 95 (1995).
  25. ^ a b É. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluéktov, "Decay of a condensate consisting of excited cesium atoms". Zh. Éksp. Teor. Fiz. 102, 1109 (1992) [Sov. Phys. JETP 75, 602 (1992)].
  26. ^ E.A. Manykin, M.I. Ojovan, P.P. Poluektov. "Impurity recombination of Rydberg matter". JETP 78 (1994) 27–32.
  27. ^ a b L. Holmlid, "Redshifts in space caused by stimulated Raman scattering in cold intergalactic Rydberg Matter with experimental verification". J. Exp. Theor. Phys. JETP 100 (2005) 637–644.
  28. ^ Shahriar Badiei e Leif Holmlid, Magnetic field in the intracluster medium: Rydberg matter with almost free electrons, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 335, 2002, pp. L94, Bibcode:2002MNRAS.335L..94B, DOI:10.1046/j.1365-8711.2002.05911.x.
  29. ^ J. Wang, K. Engvall and L. Holmlid, "Cluster KN formation by Rydberg collision complex stabilization during scattering of a K beam off zirconia surfaces". J. Chem. Phys. 110 (1999) 1212–1220.
  30. ^ R. Svensson and L. Holmlid, "Very low work function surfaces from condensed excited states: Rydberg matter of cesium". Surface Sci. 269/270 (1992) 695–699.

Voci correlate

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  Portale Astronomia
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