Стохастическая динамика ридберговского электрона щелочного атома в микроволновом поле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Захаров, Михаил Юрьевич

• Захаров, Михаил Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Захаров, Михаил Юрьевич

Введение.

ГЛАВА 1. Обзор работ по теме диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стохастическая динамика ридберговского электрона щелочного атома в микроволновом поле»

Исследования в области тепловых столкновений с участием возбужденных атомов традиционно относятся к проблемам низкотемпературной плазмы требующим знания констант скоростей элементарных процессов. Авторы работ по физике низкотемпературной неравновесной плазмы довольно давно (см., например, [1]) стали обращать внимание на то, что столкновения с участием неметастабильных возбужденных атомов могут давать заметный вклад в ионизацию в широком диапазоне тепловой энергии. Эти процессы вошли в литературу под названием «процессы хемоионизации»: ассоциативная ионизация с образованием молекулярных ионов, и ионизация пеннинговского типа -с образованием атомарных. На количественном уровне подобные оценки стали возможны с середины 80-х годов, когда была выполнена серия экспериментов по определению соответствующих констант элементарных процессов и вслед за этим начала развиваться теория. Одной из первых была работа [2] в которой в рамках столкновительно излучательной модели рассматривалась конкуренция ударно-радиационной и ассоциативной ионизации в цезиевой плазме. Было показано, что при варьировании таких плазменных параметров как степень ионизации Ne/Na, температура электронов Те и атомов Та в диапазоне & < КГ1 -г- Ю-4,1Ь№К <Те< ШК- 500К < Та < ШОК существует область условий, когда ассоциативная ионизация может вносить основной вклад в ионизацию.

Учет вклада А* + А* —> + е высоковозбужденных (ридберговских) атомов (РА) показал, что он может увеличить скорость ионизации до двух раз. В условиях бестоковой фотоплазмы РА могут образовываться за счет, так называемого процесса удвоения энергии возбуждения А* + А* —> ДА + А [3]. В неидеальной лазерной плазме со степенью ионизации близкой к 100% ассоциативная ионизация составляет не менее 20% от первичной ионизации [4].

В космической плазме, фотосфере Солнца, атмосфере белых карликов обогащенных гелием и водородом ридберговские атомные состояния заселяются за счет рекомбинационных процессов [5].

В последние годы появились новые аспекты интереса к РА, что связано с их ролью в явлениях квантовой телепортации, применении в квантовых компьютерах, возможностями их практического применения при бозе-эйнштейновской конденсации, управлении процессами возбуждения одиночными атомами и т.д.

Процессы хемоионизации при тепловых столкновениях возбужденных частиц могут рассматриваться как прототип элементарного процесса трансформации излучательной энергии (энергии возбуждения) в электрическую.

До последнего времени расчеты констант хемоионизации для РА водоро-доподобных щелочных атомов со значениями эффективных квантовых чисел 5 < п < 20 проводились в основном в рамках теории Думана, Шматова, Михайлова, Янева (ДШМЯ - модель) [6], [7]. Эта модель основывалась на представлении процесса столкновения РА и нормального атомов в четырехча-стичном приближении, предложенном в 1934 году Э. Ферми, и включающим в себя квазисвободный оптический электрон, валентный электрон атома - партнера и ионы двух атомных остатков.

Модель ДШМЯ появилась практически сразу за публикацией первых количественных экспериментальных данных [8] и оказала большое влияние на дальнейшее развитие эксперимента в этой области. В тоже время модель не учитывала множественности пересечений начального ковалентного терма рид-берговской молекулы (А**А) с другими термами и кулоновским континуумом до пересечения А*А - термом ионного молекулярного континуума. В работе [9] для решения этой проблемы был предложен «диффузионный» подход, основанный на модели диффузии по энергетическим состояниям ридберговской квазимолекулы в одном акте столкновения. В качестве такого диффузионного механизма в [10] был предложен режим динамического хаоса, приводящий к эффекту «блуждания» ридберговского электрона по сетке (паутине) энергетических термов квазимолекулы. Несмотря на то, что основные положения модели были подтверждены экспериментально, см. например [11], ряд вопросов, связанных с особенностями явления динамического хаоса в системах возбужденного щелочного атома оставался невыясненным.

Цель диссертации. Цель настоящей работы состоит в выявлении особенностей режима динамического хаоса в условиях наступления резонанса Фостера (двойного штарковского резонанса — явления блокировки переходов), что существенным образом может менять константы скоростей как Пеннинговской, так и ассоциативной ионизаций.

Основными направлениями работы являлись

1. Рассмотрение проявления эффектов динамического хаоса в однократных атом-атомных столкновениях с участием РА.

2. В рамках квазиклассики построение модели диффузии ридберговских электронов (РЭ) в энергетическом пространстве под влиянием микроволновых полей, индуцированных при однократном атом-атомном столкновении. Аппробация основных положений модели в рамках квантовоме-ханического подхода

3. Подтверждение допустимости квазиклассического описания, и связь с квантовомеханическим описанием.

4. Построение численной модели движения РЭ под воздействием микроволнового поля.

5. Численное получение характеристик системы: энергии, момента импульса, векторов скоростей и т.д, в том числе в условиях резонанса Фостера.

6. В рамках эффекта резонанса Фостера для ридберговских состояний щелочных атомов показана возможность вариации времени жизни РА.

7. В целях оптимизации эксперимента рассмотрена реальная схема эффу-зионного пучка в экспериментах с РА

Актуальность темы. В астрофизических исследованиях замечены аномалии в спектрах космических объектов, которые проявляются в исчезновении некоторых линий флуоресценции для РА с эффективным квантовым числом п* ~ 10 [12]. В качестве одной из причин этих аномалий в литературе указывается индуцированный столкновениями процесс поглощения фотонов, наблюдаемый, например, в газовой смеси водорода и гелия для сталкивающихся пар атомов и молекул. Другая причина обусловлена элементарным актом поглощения светом атомами, находящимися в высоковозбужденных (ридбер-говских) состояниях (PC). Последние имеют большие дипольные моменты и обладают сильными абсорбционными свойствами именно в инфракрасном диапазоне спектра. К эффективным механизмам образования ридберговских состояний атомов гелия в слабо ионизованных атмосферных слоях гелиевых белых карликов относятся процессы ионизации и рекомбинации, протекающие в результате химических реакций. Стоит отметить, что провалы в спектрах характерны для белых карликов, которые обладают большим магнитным полем [1]. Поэтому некоторые публикации связывают наблюдаемые спектральные особенности со Штарк-эффектом или, более широко, с влиянием внешних полей. Пороговое значение Es напряженности электрического поля, при котором происходит ионизация PC с n* ~ 10, составляет величину порядка ~ 3 • 104 в/см. Это означает, что высокие PC быстро опустошаются за счет ионизации, и, соответственно излучение, испускаемое PC с п* > 10, блокируется сильным электрическим полем.

Резонанс Фостера, обусловленный особенностям радиационных констант и так называемый режимом динамического хаоса в условиях наложения на атом умеренных по интенсивностям стационарных полей, является еще одной причиной возникновения аномалий в спектрах космических объектов, связанной с блокировкой переходов.

Так же интерес к процессам хемоионизации обусловлен их фундаментальной значимостью для атомной физики, а так же широкими возможностями их практического применения при лазерном охлаждении атомов, бозе-эйнштейновской конденсации, управления процессами возбуждения одиночных атомов, создании логических устройств квантовых компьютеров, осуществлении квантовой телепортации и т.д.

Сказанное выше свидетельствует об актуальности темы диссертации, как для астрофизических исследований, так и для практического применения.

Научная новизна работы заключается в рассмотрении модели, описывающей щелочные атомы, в отличие от большинства работ, в которых изучение было направлено на атом водорода. Спектры щелочных атомов часто встречаются в спектрах космических объектов.

Практическая значимость

1. Исследование времени жизни РА, в микроволновых полях, важен для развития квантовых компьютеров.

2. Возможность использования результатов для выяснения наблюдаемых в астрофизических исследованиях аномалий в свечениях космических объектов.

3. Оптимизация экспериментов с РА в реальных атомных пучках

Автор выражает благодарность д.ф.-м.н. Безуглову Н.Н. за поддержку работы.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Захаров, Михаил Юрьевич

Заключение.

Результаты первых работ, положивших начало систематическому исследованию процесса хемоионизации, идущего через промежуточные состояния рид-берговской квазимолекулы, были обсуждены в [9]. По мнению авторов, наиболее значимым ограничением, разработанных к тому времени теоретических моделей процесса было игнорирование множественности пересечений начальных термов ридберговской молекулы (А** + А). Попытка учесть реальную сетку термов способами, традиционными для теории атомных столкновений, вряд ли могут привести к обозримому результату, ввиду большого числа точек возможных пересечений термов. В общем случае изменение энергии РЭ в каждой Ландау-Зинеровской точке 5е « п~3, так что 8е/еп ~ п-1, где еп — 1/2п2 — энергия связи РЭ. Это обстоятельство привело авторов [9] к идее диффузионного подхода к проблеме ионизации при А** + А столкновениях. При этом диффузия понималось как миграция начального состояния по энергетическим уровням возбуждённой квазимолекулы в процессе одиночного столкновения. Немного ранее диффузией РЭ по сетке ридберговских термов были объяснены эффекты аномального поведения высоковозбужденного атома в монохроматическом электромагнитном поле [18]. В квазиклассической и квантов омехани-ческой теориях [6, 7] рассматривался «резонансный механизм» квазирезонансной энергии внутри электронной компоненты обмена А** + А квазимолекулы. Подобный механизм был предложен в [34], для неупругих процессов А** + А столкновений. Дальнейшие исследования показали, что результаты стохастической теории хемоионизации водородоподобных РА согласуются с данными последних экспериментов в этой области.

Проведенные в [35, 36] расчеты дают все основания по аналогии с материалами разделов настоящей работы сделать вывод о том, что при медленном однократном столкновении движению РЭ в столкновительном комплексе присуще наличие внутренних нелинейных динамических резонансов, обусловленных совпадением обертонов частоты обращения РЭ с частотой перезарядки

AR внутри квазимолекулярного ионного кора. В результате рассматриваемая система становится if-системой, переходы РЭ в энергетическом пространстве носят характер случайных блужданий по «паутине» потенциальных кривых и существует возможность кинетического описания временной эволюции распределению РЭ по п.

Полученные автором результаты чрезвычайно полезны для решения общей задачи лазерного контроля над элементарными атомно-молекулярными процессами (с изменением квантового выхода и скорости реакции), что является одной из фундаментальных проблем современной химической физики. Особое место среди них занимают прямые и обратные реакции столкнови-тельной ионизации и диссоциативной рекомбинации, которые ответственны за кинетику исчезновения зарядов в газоразрядных устройствах, в верхних слоях атмосферы и ионосферы, и т.д. При этом спектр вынужденного излучения, индуцированного внешним электромагнитным полем, даёт дополнительную информацию о физических условиях в среде, в которой находятся взаимодействующие частицы. Так как определяющую роль в этих процессах играют промежуточные ридберговские состояния, традиционные методы описания их динамики в присутствие внешнего электромагнитного поля (см., например, [37]) малопригодны. Прежде всего, это связано с тем, что они оперируют небольшим числом промежуточных состояний и, как правило, не позволяют строго учитывать диссоциативный континуум. Кроме того, индуцированный внешним электромагнитным полем распад ридберговского комплекса здесь оказывается зависящим от способа их приготовления. В последние годы был развит стационарный подход (с использованием теоремы Флоке) для матрицы радиационных столкновений, который основан на интегральном варианте метода многоканального квантового дефекта и формальной теории рассеяния [5],[8],[14]. Основное внимание в этих работах было сосредоточено на реакции низкотемпературной рекомбинации электронов и молекулярных ионов в зависимости от основных параметров системы (частоты и напряженности I с внешнего поля, угла между направлениями электронного и лазерного пучков) и показано, что при определенных условиях сечение реакции может возрастать на 2-3 порядка или заметно тушиться. Описание динамики обратной реакции (особенно для небольших энергий переходов, когда сталкивающиеся частицы возбуждены) требует учета большого числа промежуточных вибронных (и предиссоционных) состояний ридберговского комплекса, что достаточно сложно реализовать с помощью формальной теории рассеяния. Предложенный в настоящей работе стохастический подход позволяет значительно упростить решение этой сложной задачи. Следующим его достоинством является то, что он дает физически наглядную картину явления.

В настоящей работе представлены результаты численного моделирования диффузионной ионизации РА, индуцированной хаотизацией траектории РЭ в результате его взаимодействия с электрическим микроволновым полем.

Впервые рассмотрен механизм, аналогичный формированию Куперовского минимума в дискретном спектре энергий и приводящий к изменению эффективности режима динамического хаоса РЭ, который индуцируется при воздействии на атом как внешних, так и внутренних микроволновых полей.

Дан анализ данного эффекта при рассмотрении процессов хемоионизации в однократном столкновении с участием РА.

Показана возможность влияния внешних стационарных слабых электрических полей на время жизни - фундаментальный параметр возбужденного РА щелочного атома.

Показана возможность управления эффективностью физико-химических реакций с участием РА на основе блокировки оптических переходов между уровнями.

Впервые получены интегральные представления для приведенного допле-ровского контура поглощения в эффузионном и газодинамических пучках, которые существенного отличаются от стандартного гауссовского профиля. Показано, что оптимальная конфигурация, при которой реализуется наиболее узкий приведенный доплеровский контур при высокой плотности частиц пучка, достигается при отношении диаметра диафрагмы к диаметру отверстия пучка B/D — 2

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Захаров, Михаил Юрьевич, 2010 год

1. Заславский Г.М., Сагдеев Р.З. Ведение в нелинейную физику: От маятника до турбулентности и хаоса. -М.: Наука, 1988.

2. Кудрявцев А.А. // Теплофизика высоких температур. -1987, Т.25; С. 1041

3. Ключарев А.Н., Янсон М.Л. Элементарные процессы в плазме щелочных металлов. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

4. Kucatorto Т.В., Mc-Ilrath T.J. // Phys. Rev. Lett. -1976. V.37. P.428

5. Думан Е.Л., Шматов И.П. // ЖЭТФ. 1980. Т. 79. С.2116.

6. Mihajlov A., Ianev R. Resonant ionization in slow-atom-Rydberg-atom collisions // Phys. Rev. A. -1980. V.21. P.819.

7. Девдариани A.3., Ключарев A.H., Лазаренко A.B., Шеверев В.А. Столк-новительные процессы ионизации ридберговских состояний щелочных атомов. // Письма ЖТФ. -1978 Т.4. №17. С. 1013-1016

8. Девдариани А.З., Ключарев А.Н., Пенкин Н.П., Себякин Ю.Н. Диффузионный подход к процессу столкновительной ионизации возбужденных атомов. // Оптика и спектроскопия. -1988. Т.64 С.706-709

9. Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. T.l, М.: Гостехиздат, 1956.

10. Miculis К., Beterov I.I., Bezuglov N.N. et al. // J.Phys.B: At. Mol. Opt. Phys. -2005. V.38. P.1811-1813

11. Афанасьев В. 3., Борисов H.B., Гнедин Ю.Н. и др. Физика магнитных звезд // Конференция САО РАН. Август, 28-31, 2006.

12. Безуглов Н.Н., Бородин В.М., Казанский А.Н. и др. Анализ стохастических уравнений типа Фоккера-Планка с переменными граничными условиями в элементарном процессе столкновительной ионизации // Опт. и спектр. -2001 Т.91 №1 С.25-33

13. Безуглов Н.Н., Бородин В.М., Ключарев А.Н., Орловский К.В. и др. К вопросу расчёта констант хемоионизации при субтепловых столкновениях ридберговских атомов. // Опт. и спектр. -1997. Т.82. С.368-372

14. Bezuglov N.N., Borodin V.M., Eckers A. et al. A Quasi-Classical Description of the Stochastic Dynamics of a Rydberg Electron in a Diatomic Quasi-Molecular Complex. // Optics and Spectroscopy. -2002. V.93, №5, P.661-669

15. Leopold J.G., Percival I.C. Microwave Ionization and Excitation of Rydberg Atoms // Phys. Rev. Lett. -1978. V.41. №14. P.944-947.

16. Bayfield J.E., Koch P.M. Multiphoton Ionization of Highly Excited Hydrogen Atoms // Phys. Rev. Lett. -1974. V.33. №5. P.258-261.

17. Делоне Н.Б.Драйнов В.П.,Шепелянский Д.Л. Высоковозбужденный атом в электромагнитном поле // УФН. -1983, Т. 140 №3, С.335-391.

18. Gontis V., Kaulakys В. Stochastic dynamics of hydrogenic atoms in the microwave field: modeling by maps and quantum description. // J. Phys B: At. Mol. Phys. -1987, V.20, P.5051-5064.

19. Walker T.D., Saffman M. Zeros of Rydberg-Rydberg Foster interactions // J. Phys. В.: At. Mol. Phys. -2005. V.38. P.S309-S319

20. Заславский Г.М. , Сагдеев P.3.,Усиков Д.А.,Черников А.А. Слабый хаос и квазирегулярные структуры -М.: Наука, 1991.

21. Фано У., Купер Дж. Спектральные распределения сил осцилляторов в атомах М., "Наука 1972.

22. Seaton I.J. Quantum defect theory // Rep.Prog.Phys. -1983, V.46, P. 167-255.

23. Lukin M.D., Fleischhauer et al. Dipole Blockade and Quantum Information Processing in Mesoscopic Atomic Ensembles // Phys.Rev.Lett. -2001, V.87. P. 037901-1 037901-4.

24. Груздев П.Ф. Спектры атомов и ионов в рентгеновской и ультрафиолетовой областях. -М.: Наука, 1982.

25. Безуглов Н.Н., Бородин В.М., Екерс А., А.Н.Юпочарев. Квазиклассическое описание стохастической динамики Ридберговского электрона в двухатомном квазимолекулярном комплексе. // Опт. и спектр., -2002, Т.93, С.721.

26. Пригожин И., Стенгерс И. К решению парадокса времени. -М.: УРСС, 2003. С.232.

27. Голубков Г. В., Иванов Г. К. Ридберговские состояния атомов и молекул и элементарные процессы с их участием. -М.: Издательство учебной и научной литературы, 2001. С.304.

28. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. -М. Наука 1977.

29. Ключарев А.Н. Процессы хемоионизации // УФН. Т. 163 №6. 1993.

30. Garcia-Fernandez R., Ekers A., Klavins J. et al. Autler-Townes effect in a sodium molecular-ladder scheme // Phys. Rev. A. 2005. V.71. P. 023401.

31. Sydoryk I., Bezuglov N.N., Beterov I.I. et al. Broadening and intensity redistribution in the Na(3p) hyperfine excitation spectra due to optical pumping in the weak excitation limit. // Phys. Rev. A. 2008. V. 77. P. 042511.

32. Demtruder W. Laser Spectroscopy. Berlin.: Springer, 2003.34. 1. Смирнов В. M., Михайлов А. А. // Оптика и спектроскопия. 1971. Т.30. С.984.

33. Безуглов Н. Н., Бородин В. М., Казанский А. К. и др. // Оптика и спектроскопия. 2001. Т. 91. С. 25.

34. Bezuglov N. N., Borodin V. М., Klyucharev A. N., et al. // Russian Journal of Phys. Chem. 2002. V. 76. P. 27.

35. Федоров M.B. Электрон в сильном световом поле. -М.: Наука, 1981. С. 222.

36. Калиткин Н.Н. Численные методы. -М., Наука, 1978.

37. Ландау Л.Д., Лифшиц Б.М. Механика. М.: Наука, 1973.

38. Ландау Л.Д., Лифшиц Б.М. Квантовая механика. М.: Наука, 1963.

39. Мигдал А.Б. Качественные методы в квантовой теории. М.: Наука, 1965.

40. Безуглов Н.Н.,Борисов Е.Н.,Просихин В.П. Квантовомеханические аналоги сил торможения излучением и слабое свечение атомных систем. // Опт. и спект., -1991, Т.70, С.726.

41. Jensen R.V., Sussckind S.M., Sanders М.М. Chaotic ionization of highly excited hydrogen atoms: Comparison of classical and quantum theory with experiment // Phys.Rep., -1991, V.201, P.l-56.

42. Klyucharev A.N. et al. Rate coefficients for the chemi-ionazation processes in sodium and other alkali-metal geocosmical plasmas. // New Astr. Reviews, -2007, V.51,P.547

43. Бакшт Ф.Г., Юрьев В.Г. // ЖТФ. 1976 T.46. C.905

44. Bezuglov N.N., Klucharev A.N., Sheverev V.A. Associative ionisation rate constants measured in cell and beam experiments // J.Phys. B. 1987. V.20. P.2495-2497

45. Miculis K., Beterov I.I., Bezuglov N.N. et al. Collisional and thermal ionization of sodium Rydberg atoms: II. Theory for nS, nP and nD states with n = 5-25 // J.Phys. B. 2005. V.38. P.1811

46. Груздев П.Ф., Шерстюк А.И. Использование кулоновских функций с эффективным орбитальным квантовым числом для расчёта сил осцилляторов в многоэлектронных атомах // Опт. и спектр., -1976ю Т.40. №1. С.617-621

47. Голубков Г. В., Иванов Г. К Диссоциативная рекомбинация электронов и молекулярных ионов в монохроматическом ИК излучении.// ЖЭТФ. -1993, Т. 104. №4(10). С.3334-3357.

48. Голубков Г. В., Голубков М. Г., Романов А.Н. Диссоциативная рекомбинация электронов и молекулярных ионов О^ в поле интенсивного лазерного излучения в видимой области спектра.// ЖЭТФ. -2002. Т. 121. №3. С.573.

49. Golubkov G. V., Golubkov M. G., Romanov A. N., Buenker R. J.// Phys. Chem. Phys. 2003. V. 5. P. 3174.