مسألة ريدبيرج

مادة ريدبيرغ ^{[ 1 ]} هي طور غريب من المادة يتكون من ذرات ريدبيرغ ؛ وقد تنبأ بها حوالي عام 1980 كل من إي. أ. مانيكين ، وإم. آي. أوزهوفان (أوجوفان)، وبي . بي. بولويكتوف . ^{[ 2 ] [ 3 ]} وقد تشكلت من عناصر مختلفة مثل السيزيوم ، ^{[ 4 ]} والبوتاسيوم ، ^{[ 5 ]} والهيدروجين ، ^{[ 6 ] [ 7 ]} والنيتروجين ؛ ^{[ 8 ]} وأُجريت دراسات على احتمالات نظرية مثل الصوديوم والبريليوم والمغنيسيوم والكالسيوم . ^{[ 9 ]} وقد اقتُرح أنها مادة قد تنشأ منها نطاقات بين النجوم المنتشرة . ^{[ 10} ] حالات ريدبيرغ الدائرية ^{[ 11 ] ،} حيث يوجد الإلكترون الخارجي في مدار دائري مستوٍ، هي الأطول عمراً، إذ تصل أعمارها إلى عدة ساعات، ^{[ 12 ]} وهي الأكثر شيوعاً. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

تتكون مادة ريدبيرغ عادةً من تجمعات سداسية ^{[ 17 ]} مستوية ^{[ 18 ] [ 16 ] [ 19 ]} ؛ ولا يمكن أن تكون هذه التجمعات كبيرة جدًا بسبب تأثير التباطؤ الناتج عن السرعة المحدودة للضوء. ^{[ 19 ]} لذا، فهي ليست غازات ولا بلازما، وليست مواد صلبة ولا سوائل؛ بل هي أقرب إلى بلازما الغبار التي تحتوي على تجمعات صغيرة في غاز. على الرغم من إمكانية دراسة مادة ريدبيرغ في المختبر باستخدام الليزر ، ^{[ 20 ]} فإن أكبر تجمع تم الإبلاغ عنه يتكون من 91 ذرة فقط، ^{[ 7 ]} ولكن تبين أنه يقع خلف السحب الممتدة في الفضاء ^{[ 10 ] [ 21 ]} وفي الغلاف الجوي العلوي للكواكب. ^{[ 22 ]} وينتج الترابط في مادة ريدبيرغ عن عدم تمركز الإلكترونات عالية الطاقة لتشكيل حالة طاقة أقل إجمالًا. ^{[ 3 ]} تتمثل آلية عدم تمركز الإلكترونات في تكوين موجات مستقرة على حلقات تحيط بالنوى، مما يُنتج زخمًا زاويًا كميًا والخصائص المميزة لمادة ريدبيرغ. وهي معدن مُعمم من حيث تأثير الأعداد الكمية على حجم الحلقة، ولكنها مقيدة بشرط الترابط القوي للإلكترونات؛ ^{[ 19 ]} وتُظهر خصائص تبادل-ترابط مشابهة للترابط التساهمي. ^{[ 23 ]} ويمكن دراسة الإثارة الإلكترونية والحركة الاهتزازية لهذه الروابط باستخدام مطيافية رامان . ^{[ 24 ]}

بسبب أسباب لا تزال محل نقاش في أوساط الفيزياء نتيجةً لقلة طرق رصد التجمعات النجمية، ^{[ 27 ]} تتميز مادة ريدبيرغ بثباتها العالي ضد التفكك بفعل انبعاث الإشعاع؛ ويبلغ العمر المميز للتجمع عند n = 12 حوالي 25  ثانية. ^{[ 26 ] [ 28 ]} وتشمل الأسباب المذكورة عدم وجود تداخل بين الحالات المثارة والحالات الأرضية، ومنع الانتقالات بينهما، وتأثيرات التبادل والترابط التي تعيق الانبعاث من خلال استلزام النفق الكمومي ^{[ 23 ]} مما يؤدي إلى تأخير طويل في اضمحلال الإثارة. ^{[ 25 ]} وتلعب الإثارة دورًا في تحديد أعمار التجمعات النجمية، حيث تؤدي الإثارة الأعلى إلى عمر أطول؛ ^{[ 26 ]} ويعطي n = 80 عمرًا يُقارب عمر الكون. ^{[ 29 ]}

في المعادن العادية، تكون المسافات بين الذرات ثابتة تقريبًا عبر نطاق واسع من درجات الحرارة والضغوط؛ وهذا ليس هو الحال مع مادة ريدبيرغ، حيث تتغير المسافات، وبالتالي الخصائص، بشكل كبير مع الإثارات. أحد المتغيرات الرئيسية في تحديد هذه الخصائص هو العدد الكمي الرئيسي n، والذي يمكن أن يكون أي عدد صحيح أكبر من 1؛ وأعلى القيم المُسجلة له تقارب 100. ^{[ 29 ] [ 30 ]} تُعطى مسافة الرابطة d في مادة ريدبيرغ بالعلاقة التالية:

${\displaystyle d=2.9n^{2}a_{0},}$

حيث _{يمثل a₀} نصف قطر بور . تم تحديد العامل التقريبي 2.9 تجريبياً أولاً، ثم قياسه باستخدام مطيافية الدوران في تجمعات مختلفة. ^{[ 16 ]} ترد أمثلة على قيم d المحسوبة بهذه الطريقة، إلى جانب قيم مختارة للكثافة D ، في الجدول المجاور.

كما هو الحال مع البوزونات التي يمكن تكثيفها لتكوين مكثفات بوز-أينشتاين ، يمكن تكثيف مادة ريدبيرغ، ولكن ليس بنفس طريقة تكثيف البوزونات. والسبب في ذلك هو أن مادة ريدبيرغ تتصرف بشكل مشابه للغاز، مما يعني أنه لا يمكن تكثيفها دون إزالة طاقة التكثيف؛ ويحدث التأين إذا لم يتم ذلك. جميع الحلول لهذه المشكلة حتى الآن تتضمن استخدام سطح مجاور بطريقة ما، وأفضلها هو تبخير الذرات التي ستتكون منها مادة ريدبيرغ وترك طاقة التكثيف على السطح. ^{[ 31 ]} باستخدام ذرات السيزيوم ، والأسطح المغطاة بالجرافيت، والمحولات الحرارية الأيونية كحاويات، تم قياس دالة شغل السطح لتكون 0.5  إلكترون فولت، ^{[ 32 ]} مما يشير إلى أن التجمع يقع بين مستويي الإثارة التاسع والرابع عشر. ^{[ 25 ]}

يقدم العرض التقديمي ^{[ 33 ]} معلومات عن مادة ريدبيرج وتطبيقاتها المحتملة في تطوير الطاقة النظيفة والمحفزات والبحث في الظواهر الفضائية واستخدامها في أجهزة الاستشعار.

• حالة المادة

إن البحث الذي يدعي إنشاء مادة ريدبيرج الهيدروجينية فائقة الكثافة (بمسافة بين الذرات تبلغ حوالي 2.3  بيكومتر: وهي أقل بكثير من معظم المواد الصلبة) محل خلاف: ^{[ 34 ]}

«تتضمن ورقة هولمليد وزينر-غونديرسن ادعاءاتٍ تُعدّ ثوريةً حقًا لو كانت صحيحة. لقد بيّنا أنها تُخالف بعض القوانين الأساسية والراسخة بشكلٍ مباشر. ونعتقد أننا نتشارك هذا التشكيك مع معظم الأوساط العلمية. ولعلّ الردّ على نظريات هولمليد يتجلّى بوضوحٍ في قائمة مراجع مقالتهم. فمن بين 114 مرجعًا، 36 منها لم يشارك هولمليد في تأليفها. ومن بين هذه المراجع الـ 36، لا يتناول أيٌّ منها الادعاءات التي طرحها هو وشركاؤه. وهذا أمرٌ لافتٌ للنظر، لأنّ هذه الادعاءات، لو كانت صحيحة، ستُحدث ثورةً في علم الكم، وتُضيف شكلين جديدين على الأقلّ للهيدروجين، أحدهما يُفترض أنه الحالة الأرضية للعنصر، وتكتشف شكلًا بالغ الكثافة للمادة، وتكتشف عملياتٍ تُخالف قانون حفظ عدد الباريونات، فضلًا عن حلّ حاجة البشرية للطاقة بشكلٍ شبه دائم.»