Привет, Хабр.

Прошлым летом я опубликовал в этом блоге весьма удачную статью «Экстремальная физика шаровых молний», которая получила оценку +53, вызвала оживлённую дискуссию (55 комментариев) и даже, кажется, привела ко мне новых подписчиков. С тех пор я планировал вернуться к рассмотрению темы экзотической материи и сегодня хочу рассказать о ридберговских состояниях атомов. Согласно одной экзотической гипотезе, именно из атомов в таком состоянии может состоять шаровая молния. Однако, тогда как существование шаровой молнии остаётся не доказанным, ридберговские атомы получены ещё в середине прошлого века, хорошо исследованы и даже могут послужить важным компонентом квантовых компьютеров. Обсудим эти странные атомы подробнее.

«Ридберговская материя» названа так в честь шведского физика Йохана Роберта Ридберга (1854-1919), который в 1890 году опубликовал статью о структуре спектров химических элементов, в которой сформулировал вопрос о том, насколько далеко (или «высоко») от атомного ядра может располагаться крайний валентный электрон. Чтобы стало понятнее, почему это так важно, давайте конкретизируем, как устроен атом. Нас в особенности интересуют водородоподобные атомы с одним электроном на внешней валентной оболочке, в особенности атомы щелочных и щелочноземельных металлов. Рассмотрим, как выглядят атом щелочного металла рубидия и атом щелочноземельного металла стронция, соседствующих в таблице Менделеева в клетках 37 и 38:

Обратите внимание, что у рубидия на внешнем энергетическом уровне всего один электрон, а у стронция — всего два. Граница атома проходит по траектории движения двух этих электронов. В данном случае атом находится в «основном» (невозбуждённом) состоянии, и все электроны занимают свои энергетические уровни. Но, если сообщить атому дополнительную энергию, например, при помощи лазера (передавая атому кванты света), то его электроны перейдут на более высокие орбитали, и размер (объём) атома увеличится.

Таким образом, радиус атома равен расстоянию от ядра до внешней электронной оболочки. В случае с атомом этот радиус всегда будет условным, поскольку электрон как квантовая сущность никогда не занимает определённого места, а лишь может с более или менее высокой вероятностью обнаружиться в конкретном месте при измерении.

В упрощённом виде, за который мы примем модель Бора, атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, каждый из которых всегда имеет заряд -1. Поэтому в нейтральном атоме количество электронов равно количеству протонов в ядре, и электроны располагаются вокруг ядра на энергетических уровнях, которые в модели Резерфорда сравнивались с планетарными орбитами, а в модели Бора называются «орбиталями». Каждому такому энергетическому уровню соответствует «основное состояние» атома, которое обозначается через n (главное квантовое число).

Невозбуждённые атомы очень компактны, и электроны располагаются на расстоянии пикометров от ядра, поэтому на пластинке шириной несколько сантиметров можно уложить миллиарды атомов.

Но, если сообщить атому дополнительную энергию, например, через фотон (речь идёт о квантах энергии), то атом будет переходить во всё более высокоэнергетическое состояние, и его главное квантовое число будет расти — то есть, расстояние между ядром и внешней электронной оболочкой станет увеличиваться. Расстояние увеличивается как n². Если электрон оторвётся от атома, то атом превратится в ион, однако сегодня в контролируемой среде можно удерживать внешние электроны на орбите у атома при значениях n, превышающих 1200. Такой атом сравним по диаметру с человеческим волосом (правда, поскольку на его границе нет ничего кроме одного-двух электронов, такой атом прозрачен и не видим невооружённым глазом). Однако такие атомы, которые правильнее называть «модифицированными», нежели «искусственными» чрезвычайно интересны при разработке кубитов, о чём я ранее уже упоминал в статье «Из чего удобно делать кубиты. Искусственные атомы для квантовых вычислений». Эти экзотические атомы называются «ридберговскими».

Ранняя история ридберговских атомов

Впервые существование ридберговских атомов чисто теоретически предположил Нильс Бор в статье «On the constitution of atoms and molecules, part I», опубликованной в 1913 году; он же и назвал их в честь Йохана Ридберга. Бор предположил, что атом водорода может существовать не только в основном состоянии (т.e., n=3, n=5 или даже выше), но в природе этого не наблюдается, так как сила Лоренца, действующая на заряженную квантовую частицу, слишком слаба. Поэтому такие конфигурации атомов водорода должны легко разрушаться под действием (электро)магнитного поля, и естественные «ридберговские» атомы были бы необнаружимы, даже если бы иногда возникали спонтанно. Действительно, чем дальше электрон от атомного ядра, тем слабее оно его удерживает, и тем сильнее электрон подвержен внешним воздействиям.

Естественно, вместе с радиусом ридберговского атома увеличивается и «орбитальный период» электрона, то есть, время, которое электрон с внешней орбитали затрачивает на оборот вокруг ядра. В обычных атомах щелочных металлов этот период составляет несколько фемтосекунд, а в ридберговских атомах может достигать десятков наносекунд. Поэтому такой электрон становится проще «поймать на орбите» и управлять им при помощи тщательно подобранных электрических импульсов. Подобные технологии позволили бы управлять формой внешней электронной оболочки, то есть, корректировать очертания атомов. На статус «технологии» такие приёмы пока претендовать не могут, но именно методом «электронного удара» первые ридберговские атомы были получены в 1950-е и 1960-е годы. Таким образом, ридберговская материя синтезирована значительно раньше, чем приготовленный в 1995 году конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов рубидия, но в настоящее время исследование двух этих экзотических состояний вещества остаётся тесно связанным.

Эмиссионный спектр ридберговских атомов также сильно отличается от спектра обычных. Они излучают не в оптическом спектре, а в области инфракрасных частот или радиоволн. Спектральными методами ридберговские атомы удалось открыть в ионосфере и в глубоком космосе. Так, в 1964 году при исследовании туманности Омега (созвездие Стрельца) в радиодиапазоне были открыты атомы водорода с n = 158, а в 1979 году при изучении нейтронной звезды Кассиопея А в ней удалось зафиксировать атомы углерода в ридберговском состоянии с n от 600 до 732. Каковы, в таком случае, будут размеры атомов с n > 1000?

Размеры ридберговских атомов

Итак, ридберговские атомы значительно крупнее обычных невозбуждённых атомов. Продолжим пример с атомом рубидия, радиус крайней орбитали которого в обычном состоянии составляет порядка 303 пикометра, а в ридберговском состоянии при n = 1200 достигает 2,05 микрометра. Ридберговские атомы выглядят на фоне обычной кристаллической решётки рубидия примерно так:

Здесь открываются интересные возможности, благодаря которым сейчас возрос интерес к ридберговским атомам, но возникают и сопутствующие проблемы. Область, занятая ридберговским атомом, не может пересекаться с другим ридберговским атомом — то есть, границами атомов, как обычно, являются орбитали их внешних электронов. Таким образом, ридберговские атомы в кристаллической решётке могут находиться лишь на некотором отдалении друг от друга. Данное явление получило название «(дипольной) ридберговской блокады», открыл его в 2001 году Михаил Лукин, тогда работавший в Гарвардском университете. На Хабре эту работу подробно и интересно изложил уважаемый @FirstJohn, который перевёл для корпоративного блога FirstVDS статью Филипа Болла «Лучшими кубитами для квантовых вычислений могут быть нейтральные атомы»

Таким образом, (запутанные) ридберговские атомы отлично подходят для изготовления квантовых гейтов. Как я упоминал выше, атом возвращается из ридберговского состояния в основное под действием внешних электромагнитных полей, и именно поэтому не подпускает вплотную к себе другие ридберговские атомы (чужие электроны).

Получение и применение циркулярных ридберговских атомов

Опытным путём было установлено, что наиболее стабильны ридберговские атомы, форма внешней орбитали которых близка к круглой. Удобнее всего оказалось приводить в такое циркулярное состояние нейтральные атомы стронция, на внешней орбитали каждого из которых — два валентных электрона. Электронами манипулируют при помощи перекрещивающихся фемтосекундных лазеров, такое устройство называется «оптический пинцет».

Фокусируя лазерные лучи, можно захватывать и удерживать атомы, а затем расставлять и компоновать их с высокой точностью. Немного опережая события, упомяну о забавном эксперименте с применением оптических пинцетов, который поставили в 2025 году китайские физики, нарисовавшие из ридберговских атомов рубидия мультфильм о коте Шрёдингера.

При помощи таких пинцетов можно располагать ридберговские атомы в кристаллической решётке на расстоянии, равном радиусу блокады, и создавать квантовые вентили, при работе которых возбуждение последующего атома инициируется от возбуждения предыдущего. В вышеупомянутом китайском опыте было задействовано более 3000 атомов.

Оптические пинцеты могут составляться не только из двух лучей, но и образовывать целую оптическую решётку, все пересечения в которой являются управляемыми и подвижными. В такой решётке можно собирать из ридберговских атомов линейные, плоские и даже объёмные конструкции с заданной геометрией. Оптические пинцеты изучаются с начала 2000-х, и в 2012 году Серж Арош и Дэвид Уайнленд были удостоены за их разработку Нобелевской премии по физике с формулировкой «За создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими». Но первоначально оптические пинцеты использовались исключительно в фундаментальной науке для опытов, связанных с физикой твёрдого тела, понимания сверхпроводимости и управления магнитными свойствами. Заинтересовавшие меня исследования, связанные с использованием циркулярных ридберговских состояний атомов стронция, увенчались успехом в 2017 году в 5-м Физическом институте в составе Штуттгартского университета. Этой работой руководил доктор Флориан Майнерт, и выполнена она была в рамках проекта CiRQus («Квантовая симуляция с использованием циркулярных ридберговских атомов»).

Группе Майнерта удалось получить высокоэнергетические состояния (n = 79) изотопа стронция-88, в которых атомы продержались в течение 2,55 миллисекунд. Вот подробная статья об этой технологии, подготовленная группой Майнерта в 2024 году. Для сравнения: по состоянию на ноябрь 2025 года наиболее устойчивые кубиты, разработанные инженерами Google, живут чуть более 1 миллисекунды. Ридберговские атомы стронция просуществовали так долго в специальной полости, полностью защищённой от электромагнитного излучения, и что наиболее важно — этот результат был достигнут при комнатной температуре. В этом отношении ридберговские атомы выгодно отличаются от других современных кубитов, которые сохраняют когерентность лишь при температурах, близких к абсолютному нулю.

Благодаря большому количеству опытов с ридберговскими атомами известно, что возбуждение от одного такого атома к другому передаётся на расстоянии до 5 микрометров. Поэтому в полости, подобной той, что разработали физики под руководством Майнерта, можно расположить до 50 «ридберговских кубитов». Наконец, дальнейшие опыты по подбору элементов для циркулярного ридберговского состояния и изоляция самой полости вполне может продлить срок жизни такого кубита до 10 миллисекунд или даже более. Максимальное значение n для ридберговского атома также ничем принципиально не ограничено.

Заключение

Здесь мы рассмотрели очередной эпизод из фундаментальной науки, где между сформулированной теорией и её практической реализацией проходят десятки лет. Схожая история сложилась с упомянутым мной конденсатом Бозе-Эйнштейна: возможность существования такого агрегатного состояния вещества была спрогнозирована в 1925 году, а сам конденсат из атомов рубидия получен только в 1995 году. Работа с ридберговскими атомами открывает новые возможности манипулировать отдельными электронами и целыми энергетическими уровнями (заданной формы), что может открыть путь к полноценной новой отрасли физики. Наконец, именно ридберговские атомы могут стать основой для ловушек, в которых можно было бы переносить антивещество (значительно более мелкие атомы антигелия и антиводорода). Возможно, кто-то из моих читателей захочет рассмотреть эту тему на Хабре.

Ридберговские атомы и тонкая работа с оптическим пинцетом