リュードベリ分子

リュードベリ分子は電子的に励起された化学種です。電子的に励起された分子状態は、一般に、電子的に励起された原子状態とは特性がかなり異なります。しかし、特に高度に電子的に励起された分子システムでは、イオン核と励起電子との相互作用は、水素原子内の陽子と電子との相互作用の一般的な様相を呈することがあります。これらの状態の分光学的割り当ては、スウェーデンの物理学者ヨハネス・リュードベリにちなんで名付けられたリュードベリの式に従い、分子のリュードベリ状態と呼ばれます。リュードベリ系列は、イオン核から電子を部分的に除去することに関連しています。

各リュードベリ系列のエネルギーは、特定のイオンコア構成に関連付けられたイオン化エネルギーしきい値に収束します。これらの量子化されたリュードベリエネルギーレベルは、準古典的なボーア原子図に関連付けることができます。イオン化しきい値エネルギーに近づくほど、主量子数が高くなり、しきい値に近いリュードベリ状態間のエネルギー差が小さくなります。電子がリュードベリ系列でより高いエネルギーレベルに昇格すると、イオンコアからの電子の空間的偏位が増加し、システムはボーア準古典的な図に似たものになります。

主量子数の低い分子のリュードベリ状態は、分子の他の励起電子状態と相互作用する可能性があります。これにより、エネルギーがシフトする可能性があります。分子のリュードベリ状態の割り当てには、中間の主量子数から高い主量子数までのリュードベリ系列に従うことがよくあります。リュードベリ状態のエネルギーは、リュードベリ式に量子欠陥と呼ばれる補正を含めることで調整できます。量子欠陥補正は、分散イオンコアの存在と関連付けることができます。

分子リュードベリ状態の実験的研究は、何世代にもわたって従来の方法で行われてきました。しかし、共鳴イオン化分光法などのレーザーベースの技術の開発により、これらのリュードベリ分子を中間体として比較的簡単に入手できるようになりました。これは特に共鳴増強多光子イオン化 ( REMPI ) 分光法に当てはまります。多光子プロセスには単一光子プロセスとは異なる選択規則が関係するからです。高主量子数リュードベリ状態の研究により、多くの分光技術が生まれました。これらの「閾値に近いリュードベリ状態」は、イオン核と強く相互作用しない高軌道角運動量状態では特に、長い寿命を持つことがあります。リュードベリ分子は凝縮してリュードベリ物質のクラスターを形成し、脱励起に対して長い寿命を持つことがあります。

二ヘリウム（He ₂ ^*）は最初に知られたリュードベリ分子であった。^[1]

2009年、シュトゥットガルト大学の研究者らによって、ついに異なる種類のリュードベリ分子が作られた。そこでは、リュードベリ原子と基底状態原子との相互作用により、新しい結合タイプが生み出される。2つのルビジウム原子を使用して、18マイクロ秒間存続する分子が作られた。^{[2] [3]}

2015年、オクラホマ大学の研究者らにより「三葉虫」リュードベリ分子が観測された。^{[4]この分子は2000年に理論化され、}円筒座標でプロットすると三葉虫の形に似た電子密度分布を特徴とする。^[5]これらの分子の寿命は数十マイクロ秒で、電気双極子モーメントは最大2000デバイである。

2016年、カイザースラウテルン工科大学とパデュー大学の研究者による共同研究により、バタフライリュードベリ分子が観測された。^{[6] [7]バタフライリュードベリ分子は、リュードベリ電子と基底状態原子との間の散乱における}形状共鳴の存在によって増強された、リュードベリ原子と基底状態原子との弱い対合である。この新しい種類の原子結合は2002年に理論化され、蝶の形に似た電子密度分布を特徴とする。^[8]この非従来的な結合メカニズムの結果として、バタフライリュードベリ分子は、異なる結合長での複数の振動基底状態や、500デバイを超える巨大双極子モーメントなどの特異な特性を示す。

• リュードベリ原子
• リュードベリ物質

• 分子スペクトルと分子構造、第 I 巻、第 II 巻、第 III 巻、Gerhard Herzberg、Krieger Pub. Co、改訂版、1991 年。
• 原子と分子：物理化学の学生のための入門、マーティン・カープラスとリチャード・N・ポーター、ベンジャミン・アンド・カンパニー、1970年。