La seconde leçon a décrit l’effet de champs extérieurs, dynamiques ou statiques, sur les atomes portés dans un état de Rydberg. On s’est d’abord intéressé à l’interaction de ces atomes avec le rayonnement. L’interaction entre l’état fondamental (ou un état peu excité) avec un état de Rydberg de nombre quantique n est décrit par un élément de matrice du dipôle électrique entre ces deux états proportionnel à n-3/2, ce qui indique la décroissance très rapide du couplage avec n et la nécessité de disposer de lasers très intenses pour assurer un couplage efficace et une fréquence de Rabi suffisamment grande pour l’excitation des atomes de Rydberg. La durée de vie radiative des atomes de Rydberg, inversement proportionnelle au carré de l’élément de matrice dipolaire électrique, croît comme n3 et devient de l’ordre de la centaine de microsecondes pour n de l’ordre de 50.
Si les éléments du dipôle entre état fondamental et état très excité sont très petits, par contre ceux entre états très excités de nombres quantiques principaux voisins sont énormes, variant comme n2. C’est ce qui explique l’extrême sensibilité des atomes de Rydberg aux ondes millimétriques, résonnantes ou quasi résonnantes avec les transitions entre niveaux de Rydberg adjacents. Cette extrême sensibilité au rayonnement millimétrique ne s’accompagne pas d’une émission spontanée importante sur ces transitions. La durée de vie associée à ces transitions varie en effet comme n5, et devient extrêmement longue, de l’ordre de 30 ms, pour n = 50. Ce faible taux d’émission spontanée partielle sur les transitions millimétrique (n2 fois plus faible que le taux de transition optique vers les niveaux profonds de l’atome) est dû au fait que la densité d’états du rayonnement, proportionnelle au cube de la fréquence, varie comme n–9 et devient extrêmement faible pour des états de n grands. Les états de Rydberg circulaires, de moment angulaire maximum égal à (n-1)h/2π, ne peuvent rayonner que sur les transitions millimétriques entre niveaux voisins et ont donc, malgré un très fort couplage au rayonnement, une durée de vie radiative très longue. C’est cette combinaison remarquable de propriétés – très fort couplage aux ondes millimétriques associé à une très longue durée de vie radiative – qui est exploitée dans les expériences d’électrodynamique en cavité avec des atomes de Rydberg. Toutes ces propriétés radiatives ont été décrites en détail dans la leçon et justifiées par des calculs très simples dans le cadre du modèle semi-classique de l’atome de Rydberg.
