La première leçon a constitué une introduction à la physique des atomes de Rydberg, espèces atomiques dans lesquelles un électron est porté dans un état très excité, ce qui leur confère des propriétés « exagérées », très différentes de celles d’atomes ordinaires. Ces états se manifestent par l’existence de séries de raies d’absorption et d’émission dont les longueurs d’onde (et les fréquences) sont définies par la formule que le physicien suédois Rydberg avait empiriquement établie à la fin du xixe siècle – d’où le nom donné à ces états. Ils sont caractérisés, entre autres paramètres, par un nombre quantique principal n, apparaissant dans la formule de Rydberg et repérant le niveau d’excitation énergétique de l’atome. La taille de ces atomes, mesurant les dimensions de l’orbite de l’électron excité ou encore l’extension de sa fonction d’onde, augmente comme le carré du nombre quantique principal et devient de l’ordre de mille à dix mille fois celle d’un atome dans son état fondamental pour n de l’ordre de 50 à 100, ce qui explique pour une bonne part les propriétés exagérées de ces atomes.
La leçon a commencé par un bref exposé historique rappelant que ces états ont joué un rôle important dans les réflexions qui ont mené en 1913 Niels Bohr à établir son fameux modèle de l’atome, précurseur de la description qu’en donne la physique quantique moderne. Les atomes de Rydberg sont ensuite apparus en physique dans les années 1930 avec l’étude du déplacement des raies atomiques des séries de Rydberg lorsque les atomes sont excités en présence d’atomes de gaz rare (argon, xénon ou hélium). Fermi et ses collaborateurs ont étudié ce problème dans les années 1930, à la fois expérimentalement et théoriquement, et interprété le déplacement des raies par l’effet des collisions de l’électron excité des atomes de Rydberg, décrit par sa fonction d’onde de particule quasi libre, sur les atomes de gaz rare pénétrant dans l’orbite de Rydberg. Fermi a introduit pour la première fois dans cette étude la notion de longueur de diffusion (scattering length) qui devait jouer par la suite un rôle important dans la théorie, en physique nucléaire puis en physique atomique des gaz froids. Les atomes de Rydberg se sont ensuite manifestés dans les années 1960 en astrophysique, avec leur détection dans le spectre des ondes millimétriques émises par le gaz interstellaire provenant de la recombinaison d’ions et d’électrons. L’excitation transitoire d’atomes de Rydberg dont le nombre quantique principal atteignait plusieurs centaines a été observée. Mais ce n’est que dans les années 1970 que l’étude expérimentale de ces atomes a pu réellement commencer au laboratoire, avec l’avènement des lasers accordables en fréquence, indispensables pour pouvoir les préparer de façon efficace et sélective dans un jet atomique.
