El campo de la física de Rydberg ha sido testigo de un renacimiento en las últimas décadas, seguido más recientemente por una rápida expansión hacia nuevas direcciones. Un átomo de Rydberg es un átomo excitado a un alto nivel de energía. Los estudios de los átomos de Rydberg tienen una larga historia, comenzando hace más de 80 años con investigaciones de cambios de presión y ampliación de los niveles de Na y K Rydberg por gases raros. Su detección en la región interestelar diluida ayudó a impulsar el creciente interés en la física de Rydberg. En un entorno tan diluido, los átomos altamente excitados pueden vivir lo suficiente como para decaer radiactivamente y pueden ser sensibles a campos magnéticos débiles de unos pocos μG y, por lo tanto, actuar como sondas magnéticas de medios interestelares.
Un átomo de Rydberg se asemeja a un átomo de hidrógeno, el efecto de los electrones del núcleo explicado por el defecto cuántico δ Para átomos alcalinos en estado de Rydberg, la energía del nivel de Rydberg descrito por el número cuántico principal n viene dada por
E n = I - Ry / ν 2 donde ν = n - δ.
Mientras que el potencial de ionización I y la constante de Rydberg Ry dependen del átomo, δ también depende del nivel de Rydberg considerado: por ejemplo, para Rb, I = 33.690,798 cm -1 y Ry = 109.736,605 cm -1 , mientras que δ = 3,131 ( ns 1/2 ), 2.655 ( np 1/2 ), 2.641 ( np 3/2 ), y 1.347 ( nd 3/2,5/2 )
los átomos de Rydberg poseen propiedades exageradas que escalan rápidamente con el número cuántico principal n. Por ejemplo, su escala de tamaño y momento dipolar es n 2, mientras que su escala de polarizabilidad y tiempo de vida radiativo es n 7 y n 3 , respectivamente. Junto con el pequeño espacio entre los niveles de Rydberg (escalándose como n -3 ), esto conduce a grandes interacciones entre los átomos de Rydberg, escalando como n 4 / R 3 y n 11 / R 6 para los tipos dipolo-dipolo y van der Waals, respectivamente.
En nuestro grupo estudiamos el efecto de estas fuertes interacciones en el comportamiento de los gases ultrafríos. Por ejemplo, predijimos el llamado mecanismo de bloqueo; en un conjunto que contiene muchos átomos y en las condiciones adecuadas, no más de uno puede ser excitado al estado de Rydberg. Identificamos dos tipos de bloqueo, a saber, el bloqueo del dipolo y el bloqueo de van der Waals (vdW). El principio subyacente de ambos mecanismos es el mismo; fuertes interacciones Rydberg-Rydberg desplazan los niveles de energía fuera de resonancia (ver Fig. al lado). Entonces, un átomo puede ser excitado resonantemente en un estado de Rydberg, pero los grandes cambios evitan excitaciones de Rydberg adicionales.
La condición fuera de resonancia depende del ancho de banda del láser γ y puede servir para definir un bloqueo o radio de dominio R d (p. ej., la separación más pequeña donde aún puede tener lugar la doble excitación). Si la interacción Rydberg-Rydberg Δ desplaza la energía de un par en más de γ , los pares de átomos no pueden excitarse, y dentro de este dominio con R < R d , solo puede ocurrir una excitación. Como se muestra en el dibujo al lado, un láser que ilumina una muestra atómica grande generará varios dominios de radio R d en el que no se puede excitar más de un átomo y, por lo tanto, el mecanismo de bloqueo suprime el número de excitaciones de Rydberg. Junto con nuestros colaboradores experimentales de UConn, hemos observado y explicado tales fenómenos. Debido a que un átomo de Rydberg excitado cerca del borde de un dominio tiene una mayor probabilidad de estar más cerca de otro átomo de Rydberg en un dominio vecino, el cambio de energía Rydberg-Rydberg ϵ se vuelve más grande cerca del borde, lo que conduce a una probabilidad de excitación decreciente |c e | 2. Propusimos utilizar las interacciones fuertes de Rydberg-Rydberg, así como el mecanismo de bloqueo para el procesamiento de información cuántica (consulte Ciencia de la información cuántica para obtener más detalles).
Las fuertes interacciones entre los átomos de Rydberg tienen otras consecuencias. En nuestro grupo, también estamos explorando cómo dos átomos de Rydberg podrían unirse y formar moléculas extremadamente grandes. Predijimos la existencia de moléculas tan extensas (incluso en el rango de μm) que las llamamos macrodímeros. Primero fueron observados experimentalmente por el grupo de Jim Shaffer en la Universidad de Oklahoma. Desde entonces, hemos generalizado nuestro tratamiento y predicho la existencia de estados ligados de tres átomos de Rydberg, ahora denominados macrotrímeros.
Otro aspecto interesante de la física de Rydberg es la posibilidad de usar un láser desafinado lo suficientemente lejos del nivel de Rydberg como para tener una probabilidad muy pequeña de excitarse. Por lo tanto, el estado |g⟩ del átomo en estado fundamental está vestido por el estado excitado de Rydberg |r⟩, y puede escribirse como |ψ⟩ = a|g⟩ + b|r⟩, donde |a| 2 + |b| 2 = 1, con |b| 2 = |Ω| 2 /2Δ 2 . Aquí, Ω es la frecuencia Rabi correspondiente al acoplamiento láser entre |g⟩ y |r⟩, y Δ es la desafinación de |r⟩. Estamos explorando cómo un átomo vestido con Rydberg interactúa con otros átomos o moléculas. Por ejemplo, mostramos que un átomo A vestido con Rydberg que se acerca a una molécula BC podría usarse para sintonizar una reacción química: la pequeña parte del componente Rydberg |b| 2aumenta la polarizabilidad del átomo, lo que a su vez modifica la interacción de van der Waals de largo alcance entre el átomo y la molécula. Ajustando cuidadosamente el valor de b, una vez puede modificar la velocidad de reacción A + BC → AB + C significativamente.
