Un sistema de Rydberg pesado consiste en un ion positivo y un ion negativo débilmente unidos que orbitan alrededor de su centro de masa común. Estos sistemas comparten muchas propiedades con el átomo de Rydberg convencional y, por lo tanto, a veces se los denomina átomos de Rydberg pesados. Si bien este tipo de sistema es un tipo de molécula unida iónicamente, no debe confundirse con un estado de Rydberg molecular, que es simplemente una molécula con uno o más electrones altamente excitados.
Las propiedades peculiares del átomo de Rydberg provienen de la gran separación de cargas y el potencial hidrogénico resultante . La separación extremadamente grande entre los dos componentes de un sistema Rydberg pesado da como resultado un potencial hidrogénico 1/r casi perfecto observado por cada ion. El ion positivo puede considerarse análogo al núcleo de un átomo de hidrógeno, donde el ion negativo desempeña el papel del electrón. [1]
El sistema más estudiado hasta la fecha es el sistema H + /H− , que consiste en un protón unido a un ion H− . El sistema H + /H− fue observado por primera vez en el año 2000 por un grupo de la Universidad de Waterloo en Canadá .
La formación del ion H− se puede entender de forma clásica: como el único electrón de un átomo de hidrógeno no puede proteger por completo el núcleo cargado positivamente, otro electrón que se acerque lo sentirá como una fuerza de atracción. Si bien esta descripción clásica es útil para hacerse una idea de las interacciones involucradas, es una simplificación excesiva; muchos otros átomos tienen una mayor afinidad electrónica que el hidrógeno. En general, el proceso de formación de un ion negativo se produce por el llenado de las capas electrónicas atómicas para formar una configuración de menor energía.
Solo se ha utilizado un pequeño número de moléculas para producir sistemas Rydberg pesados, aunque en principio cualquier átomo con una afinidad electrónica positiva puede unirse a un ion positivo. Las especies utilizadas incluyen O 2 , H 2 S y HF . El flúor y el oxígeno son particularmente favorecidos debido a su alta afinidad electrónica, alta energía de ionización y, en consecuencia, alta electronegatividad .
La dificultad en la producción de sistemas de Rydberg pesados surge al encontrar una vía energética mediante la cual una molécula pueda ser excitada con la energía justa para formar un par de iones, sin suficiente energía interna para causar autodisociación (un proceso análogo a la autoionización en los átomos) o disociación rápida debido a colisiones o campos locales .
En la actualidad, la producción de sistemas Rydberg pesados se basa en una compleja radiación ultravioleta de vacío (llamada así porque se absorbe fuertemente en el aire y requiere que todo el sistema esté encerrado dentro de una cámara de vacío) o en transiciones multifotónicas (que dependen de la absorción de múltiples fotones casi simultáneamente), ambas bastante ineficientes y dan como resultado sistemas con alta energía interna.
La longitud de enlace en un sistema Rydberg pesado es 10.000 veces mayor que en una molécula diatómica típica . Además de producir el comportamiento característico similar al del hidrógeno, esto también los hace extremadamente sensibles a las perturbaciones causadas por campos eléctricos y magnéticos externos .
Los sistemas pesados de Rydberg tienen una masa reducida relativamente grande , dada por:
Esto conduce a una evolución temporal muy lenta, lo que los hace fáciles de manipular tanto espacial como energéticamente, mientras que su baja energía de enlace los hace relativamente simples de detectar a través de la disociación de campo y la detección de los iones resultantes , en un proceso conocido como espectroscopia de producción de pares iónicos umbral .
La tercera ley de Kepler establece que el período de una órbita es proporcional al cubo del semieje mayor ; esto se puede aplicar a la fuerza de Coulomb :
donde es el periodo de tiempo, es la masa reducida, es el semieje mayor y .
Clásicamente, podemos decir que un sistema con una gran masa reducida tiene un largo período orbital. Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, una gran masa reducida en un sistema conduce a un espaciamiento estrecho de los niveles de energía y la velocidad de evolución temporal de la función de onda depende de este espaciamiento de energía. Esta lenta evolución temporal hace que los sistemas pesados de Rydberg sean ideales para investigar experimentalmente la dinámica de los sistemas cuánticos.
