高激发原子

里德伯原子

高激发原子是一个价电子被激发到高量子态（主量子数n很大）的原子，也被称为里德伯原子。其价电子离原子实很远，能级结构类似于氢原子。高激发态的研究是原子物理的新课题，对于原子物理的基础研究和应用开发都具有意义。

介绍

高激发原子是价电子被激发到高激发态能级结构由里德伯能级公式描述的原子，也被称为里德伯原子，俗称巨原子或胖原子。里德伯原子具有许多奇异的特性，诸如半径大、结合能小及寿命长等，因此已被当做探针用来进行基础研究和多方面的应用，并已逐步发展成一门独立的学科分支。

处在高激发态的氢原子是最简单的里德伯原子，它的一个电子通过库仑吸引力与质子相结合，产生一系列的能级式中RH是氢原子的里德伯常数，n是主量子数，n=1，2，3，…等整数。能量为En的里德伯原子的大小用电子绕核运动的平均半径〈r〉n来描述， n=a1n2，这里a1是玻尔半径（见原子结构）。里德伯原子的寿命τn随n3而增加。

其他的原子，甚至分子也可以产生里德伯态，只须用n*代替上式中的n，n*=n-μ。n*称为有效量子数，μ 称为量子数亏损。例如一个n=60的里德伯原子，它的半径〈r〉60≈190.0nm，相当于一个“病毒”的大小，比基态的原子大了三个数量级，故称为“巨原子”。这时它的结合能约为0.0038eV, 要比在室温(300K)下粒子的热平动能kT(约0.025eV)小得多，k是玻耳兹曼常数，而它的寿命却比低激发态寿命（10-9秒）长了三个数量级(10-6秒)。

原子的光谱一般在真空紫外、紫外及可见光区；而里德伯原子的高激发态间的跃迁可产生红外，微波及射频波。例如n=630与640里德伯态间的跃迁产生 26MHz的射电波。如此巨大的原子很容易受到碰撞的影响而退激发，目前，自然界只在气体密度极稀薄的宇宙空间才观察到。

性质

高激发原子寿命长；半径大；电偶极矩强；具有其它中性原子没有的特性（里德堡原子间相互作用强度变化范围很大，例如，主量子数为100S的两个里德堡原子间相互作用强度约为基态中性原子间相互作用强度的1012倍；因此利用里德堡原子的这一独有特性可以灵活地调节相互作用强度，从而能够实现高保真度的各种量子门操作。）特性：

（1）构成一个有效的二能级系统。根据电偶极跃迁的选择定则，l↔(l-1)，|m|↔(|m|-1)，即跃迁只发生在两个相邻能级之间，从而构成一个有效的二能级系统。

（2）相邻能级之间的跃迁产生或吸收微波波段的电磁辐射。

（3）具有大的电偶极跃迁矩阵元。

（4）具有长的能级寿命。

（5）里德堡原子具有较小的电离能，而相邻能级具有不同的电离能，因此可以利用选择性电离方法探测并区分原子的两个状态。

研究成果

2025年1月26日，财联社发布消息，美国国家标准与技术研究院科学家利用一种巨大的里德伯原子，研制出新型量子温度计。通过监测这些巨大原子与环境中热量之间的相互作用，他们获得了非常精确的温度测量结果。相关论文发表于最新一期《物理评论研究》杂志。

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