Стохастическая динамика ридберговского электрона щелочного атома в микроволновом поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

004609875

Захаров Михаил Юрьевич

Стохастическая динамика ридберговского электрона щелочного атома в

микроволновом поле.

Специальность: 01.04.08 Физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-7 0НТ

т

Санкт-Петербург 2010 г.

004609875

Работа выполнена на кафедре оптики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: Доктор физ.-мат. паук, профессор Ключарев Андрей Николаевич

Официальные оппоненты: Доктор физ.-мат. наук, 1 ведущий н. с.

Голубков Геннадий Валентинович Доктор физ.-мат. наук, профессор Герасимов Геннадий Николаевич

Ведущая организация: Главная астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится Уио 2010 г. в У^^^часов на заседании Совета Д 212.232.45 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, г. Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул., д.1, Малый конференц-зал Физического факультета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь Совета Д 212.232.45 по защите докторских и кандидатских диссертаций при СПбГУ, д.ф.-м.н

(',' "" -Иойих Ю.З.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В астрофизических исследованиях были отмечены аномалии в спектрах космических объектов, проявляющиеся в исчезновении некоторых спектральных линий излучаемыми ридбер-говскими атомами (РА) со значениями эффективного квантового числа п' ~ 10 [1]. В качестве одной из возможных причин этих аномалий в литературе указывается процесс поглощения фотонов, индуцированный столкновениями, наблюдаемый, например, в газовой смеси водорода и гелия. Другая причина может быть обусловлена элементарным актом поглощения света атомами, находящимися в высоковозбужденных (ридберговских) состояниях. Последние имеют большие оптические дипольные моменты и могут эффективно поглощать свет в инфракрасном диапазоне спектра. Аномалии в спектров характерны также для слабо ионизированных атмосфер остывающих звезд (белых карликов), обладающих магнитным полем. Поэтому в ряде публикаций наблюдаемые спектральные особенности свечения РА качественно связывают с влиянием внешних полей.

Среди многих вариантов технологических применений низкотемпературной неравновесной плазмы (НТП) одним из перспективных является получение инверсной заселенности возбужденных атомов в результате комбинаций ионизационных и рекомбинационных процессов. Процесс хемоионизации оптически возбужденных атомов может рассматриваться как элементарный процесс трансформации энергии излучения в электрическую. Кроме того, интерес к процессам хемоионизации с участием высоковозбужденных ридберговских атомов помимо их фундаментальной значимости для физики плазмы обусловлен их рольью в системах лазерного охлаждения, логических устройствах квантовых компьютеров и т.д. Несмотря на то, что исследование процессов хемоионизации в широком диапазоне изменения значений 5 < п < 25 были начаты сравнительно недавно, они стимулировали появление теории (так называемая, теория ДШМЯ [2, 3], название образовано по заглавным буквам фамилий авторов), в целом, объясняющей наблюдаемые в эксперименте значения эффективных сечений <т, и их зависимости о{п*). Однако определенные расхождения количественного характера сохранялись до последнего времени.

На рисунке 1 проведено сравнение с экспериментом результатов рассчета в рамках ДШМЯ-модели [4]. Видно, что эксперименту лучше соответствуют рассчеты по модели диффузионного движения ридберговского электрона (РЭ) в дискретном энергитическом

Кь сМЗс-10-8 1

о

Ю-' -

/

Ю-10:

/

/

/

Ю-11 :

/

10-12 1

2 4 6

8

10 12 14 16 18 20

п*

Рис. 1. Зависимость константы скорости ионизации атома N8 от п* в Na(n2P)+Na(32S)-столкновениях при температуре источника пучка Т = 600К. Кружки - эксперимент, штриховая линия - ДШМЯ-модель, сплошная линия - диффузионная модель.

пространстве |5]. Диффузия происходит вследствие нахождения электрона в микроволновом поле, которое образуется из-за резонансной перезарядки.

Для атома водорода были выполнены рассчеты [6, 7), показывающие, что под воздействием внешнего электрического поля электрон может переходить в режим динамического хаоса, приводящий к диффузии по энергитическим состояниям возбужденного атома, и ионизации. В случае РА, отличных от водорода, возможен процесс блокировки спектральных переходов между термами, обусловленный так называемым, резонансом Фостера (двойной штарков-ский резонанс), и связанный с особенностями системы энергетических термов высоковозбужденных атомов [8]. В окрестности резонанса Фостера происходит обращение в ноль целого ряда дипольных матричных элементов, что является аналогом появления Куперовского минимума в дискретном спектре энергии щелочных атомов. Можно предположить, что этот эффект влияет на названный стохастический процесс. Данный эффект должен учитываться при трактовке экспериментальных данных процессов хемоионизации.

Сказанное выше свидетельствует об актуальности темы диссертации для фундаментальной физики и её практического применения в задачах физики плазмы.

Цель и задачи работы.

Цель настоящей работы состоит в выявлении особенностей режима динамического хаоса в условиях существования резонанса Фостера, что может существенным образом влиять на величины констант скоростей пеннинговской, и ассоциативной ионизаций - двух каналов хемоионизационных процессов РА.

Основными направлениями работы являются

1) Построение численной модели движения РЭ по кеплеровой орбите под воздействием микроволнового поля.

2) В рамках квазиклассического описания построение модели диффузии ридберговских электронов в энергетическом пространстве под влиянием микроволнового электрического поля. Электрическое квазимонохроматическое микроволновое поле, приводящее к ионизации, индуцируется в однократном РА+А симметричном столкновении, при резонансной перезарядке ионного кора ридберговского атома на атоме партнере [5].

3) Численный расчет характеристик РЭ: энергии, момента импульса, вектора скорости и т.д, при:

- отсутствии возмущения внешним полем (отсутствие режима динамического хаоса)

- условиях возникновения динамического хаоса в микроволновом поле в отсутствие резонанса Фостера

- при наступлении режима динамического хаоса в условии наличия резонанса Фостера.

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

5) С учетом эффекта резонанса Фостера исследование возможности изменения времени жизни РА во внешнем электромагнитном поле.

6) В целях оптимизации экспериментов по хемоионизации РА, использующих методы оптического возбуждения, проведение анализа контура линий поглощения света атомом в условиях реального эксперимента.

Практическая значимость

1) В работе выполнен анализ физических процессов, приводящих к хаотизации атомных систем под действием периодически меняющихся электрических полей, с амплитудой ~ п~4 а.е.

2) Показаны условия, при которых возможно влияние внешних, относительно слабых электрических полей на время жизни возбужденного атома.

3) Предложен способ «управления» режимом динамического хаоса в столкновительных комплексах, открывающие новые возможности управления элементарными атомно-молекулярными процессами.

4) Полученные результаты могут быть использованы при анализе наблюдаемых в астрофизике аномалий в спектрах РА.

5) Проведенный анализ формирования контура линий поглощения при возбуждении частиц светом в объеме атомного пучка светом позволил предложить оптимальную конфигурация газодинамического пучка, при которой реализуется узкий доплеровский контур поглощения при высокой плотности частиц пучка.

Полученные данные представляют интерес для широкого круга задач исследования элементарных процессов в физике плазмы, квантовой электроники и управления элементарными процессами физико-химических реакций.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научных исследованиях и разработках Санкт-Петербургского государственного университета, ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова (Санкт-Петербург), Физико-технический институт РАН им. А.Ф. Иоффе. (Санкт-Петербург), Главная астрономическая обсерватория РАН (Санкт-Петербург),Институт химической физики РАН (Москва), МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва).

Научная новизна.

В отличии от большинства работ по явлению динамического хаоса в возбужденных атомах, в диссертационной работе рассмотрена модель ридберговского щелочного атома, в которой может проявляться эффект блокировки оптических переходов, в условиях так называемо-

го резонанса Фостера, который приводит к эффектам, аналогичным появлению Куперовского минимума в дискретном спектре энергий.

Полученные данные по влиянию резонанса Фостера на времена жизни РА и эффективность процессов с их участием являются оригинальными. Впервые рассчитаны параметры внутриатомного потенциала (потенциала Зоммерфельда) при котором возможно наблюдение резонанса Фостера в щелочных атомах.

Рассмотрена реальная система атомного пучка с диаметром выходного отверстия источника отличным от точечного.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Результаты численного моделирования диффузионной ионизации, вследствие наступления режима динамического хаоса РЭ во внешнем переменном электрическом поле.

2) Зависимость энергии РЭ от времени его движения по кеплеровской орбите, среднее число периодов обращения до момента диффузионной ионизации, время жизни РА как функция от параметров внутриатомного потенциала (потенциала Зоммерфельда).

3) Способ «управления» хаосом в столкновительном комплексе, основанный на возможности блокировки оптических переходов в условиях резонанса Фостера.

4) Способ управления эффективностью физико-химических реакций с участием РА на основе блокировки оптических переходов между уровнями.

5) Показано, что оптимальная конфигурация, при которой реализуется наиболее узкий приведенный доплеровский контур при высокой плотности частиц пучка, достигается при определенных соотношениях диаметра диафрагмы и выходного отверстия источника газодинамического пучка. Подобная система находит широкое применение на практике как первый этап ступенчатого фотовозбуждения ридберговских состояний.

Основные научные результаты работы выносимые на защиту принадлежат лично автору.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях

1) M.Yu.Zaharov, N.N.Bezuglov, A.N.Klucharev, A.Ekers, K.Miculis, J.Ulmanis, M.Bruvelis, E.Saks, I.Beterov, F.Fuso, M.AUegrini. Optimization of Doppler profile in supersonic beams // 41th Conference of the European Group for Atomic Spectroscopy, (EGAS-41), Gdansk, Poland, 8-11 July, 2009.

2) M.Zaharov, N.Bezuglov, A.Klucharev, A.Ekers, K.Miculis, T.Amthor, M.Weide-muller, I.Beterov, F.Fuso, M.AUegrini. Cross-sections of Penning ionization for Rydberg atoms // 41th Conference of the European Group for Atomic Spectroscopy, (EGAS-41), Gdansk, Poland, 8-11 July, 2009.

3) N.N. Bezuglov, A.N. Klucharev, A.A. Matveev, M.Yu. Zaharov, A. Ekers. Stark switching of microwave field induced dynamic chaos regime. // ICPEAC 2007 conference, Freiburg, Germany, 25-31 July, 2007

4) Klyucharev A.N., Zakharov M.Yu., Matveev A.A., Mihajlov A.A, Ignatovic L.M., Dimitrievic M.S. Chemi-ionization - experiment, theories, geocosmical perspectives. // VI Serbian-Bulgarian astronomical conference. Belgrade, Serbia, 7-11 May, 2008.

5) Захаров М.Ю., Лисенков H.M., Печатников П.А. Времяпролетный масс-спектрометр на основе процессов хемоионизации // XXXIX Международная научн. конф. аспирантов и студентов. Санкт-Петербург, Россия, 7-10 апреля, 2008

6) Захаров М.Ю. Влияние микроволнового поля на спектры ридберговских атомов в атмосфере космических объектов // МС «АРД» - 2009, Санкт-Петербург, Россия,22-26 июня, 2009.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 4 приложений и списка литературы.

Её объем составляет 102 страницы, включая 37 рисунков.

Содержание

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, выбор объектов исследования, основные научные результаты, выносимые на защиту. Рассмотрена структура и содержание глав диссертации.Приведен список публикаций по материалам диссертации.

Первая глава посвящена рассметрению основных положений теории процессов хемоио-низации с участием ридберговских атомов. В том числе диффузионной модели ионизации при однократном атом-атомном столкновении. На основе анализа работ по стохастике РЭ атома водорода делается вывод о перспективности разработки подобной модели для неводо-родоподобных атомов.

Вторая глава содержит анализ режима динамического хаоса РЭ. Рассмотрена квазиклассическая модель РЭ щелочного атома (п яа 10) в электрическом микроволновом, монохроматическом поле амплитуды Р, частоты из (частота выбирается равной двойной или тройной частоте обращения электрона по кеплеровской орбите) и вектором поляризации е. Гамильтониан такой системы:

Н = (р, г) = рг/2 + Щг) + Гёг сов(ш4 + ф), (1)

иг(т) = -г/г + а/(2г\ (2)

где р, г- импульс и координата электрона, и (г) - внутриатомный потенциал; для моделирования щелочного атома используется потенциал Зоммерфельда (а - параметр потенциала), г -заряд ядра. Как было показано в [6, 7|, наступление глобального (сильного) динамического хаоса для квазиклассических траекторий РЭ в атоме водорода имеет пороговый характер по напряженности поля с величиной порога

1

49п{|ш1/3

(3)

Случай РЭ щелочных атомов имеет определенную специфику и в количественном отношении отличается от атома водорода. Выражение для порога поля Fc, с помощью техники кепплеровских отражений приводится [9J к виду:

F=_L_1__(4)

° < 12жшу/2к n'03(De/F2)' п* — эффективное главное квантовое число, а отношение D^/F2 выражается с помощью формулы

D;/F2 = ¿n*3S±5|(d) (5)

через радиальные матричные элементы 3±(е1) = (е, 1\г\е + и, I ± 1) дипольного перехода между двумя ридберговскими состояниями (е — энергия, I — орбитальный момент). Параметр Ое играет роль коэффициента диффузии, описывающего стохастическую миграцию РЭ по уровням энергии.

Принимая во внимание зависимость Д, от дипольных матричных элементов сделан вывод, что эффективность диффузии определяется дипольными матричными элементами - часть из которых в условиях резонанса Фостера блокируются.

Модель рассмотрена для случая двумерной траектории движения электрона в плоскости {х, у]. Гамильтоновы уравнения движения сводятся к системе уравнений

йх ¥ = р*;

Г = у/X2 + у2.

Состояние электрона описывается квантовыми числами (Ь,п*). Связь начальных значений (го, Го) и квантовыми числами (Ь,п*):

г а Ь2 г2

+ ~2п*2'' (7)

и0 = Г0/Ь,

для момента < = 0.

Расчет выполнялся в трех вариантах.

Модель атома водорода — наиболее исследованный в литературе случай, использовался для проверки корректности вычислений.

Модель щелочного атома (потенциал Зоммерфелъда) в присутствии микроволнового поля.

На рисунке 2 отображена зависимость полной энергии ридберговского электрона от времени. Расчет производился для значения главного квантового числа п = 13, выбрано р -состояние (/ = 1). Частота внешнего поля равна удвоенной частоте обращения электрона по кеплеровской орбите. Амплитуда поля 5и 4 • 10~6 а.е. Наблюдается случайное блуждание электрона по энергетическим уровням. Максимальное воздействие поля будет в точках пери-

I [а.е.]

Рис. 2. Зависимость полной энергии РЭ от времени. Случай наступления глобального динамического хаоса ^ = 5РС

гелия - этим и объясняются «скачки» энергии. В момент времени -105 а.е. происходит выход электрона в ионизационный континуум.

При рассмотрении данного случая удобной характеристикой является число периодов ЛГ, необходимое для ухода электрона в континуум. Уменьшение N свидетельствует об увеличении «хаотизации», в то время как увеличение N указывает на ослабление процессов перемешивания регулярных траекторий. Основной интерес представлял вопрос, — каким образом изменяются характеристики хаоса при изменении параметра а атомного потенциала.

а

Рис. 3. Зависимость среднего числа периодов (ЛГ), которое необходимо для ухода РЭ в континуум, от параметра атома Зоммерфельда а. Величины (Щ нормированы на единичное значение для атома водорода (а = 0).

Модель атома Зоммерфельда под воздействием микроволнового поля, в условиях наступления резонанса Фостера. Резонанс Фостера реализуется в ситуациях когда уровень в соседней серии (рис. 4) находится точно по середине между двумя ближайшими уровнями исходной серии. Такое положение энергетических уровней аналогично конфигурации уровней в квантовом осцилляторе, в котором запрещены «длинные» переходы не на соседние уровни.

1-1 I

------------------- И

п-1-

п-2-'

Рис. 4. Схема уровней, реализующих резонанс Фостера

В соответствии с предыдущим результатом, при таком значении а = а|лгт„, когда количество оборотов максимально, наблюдается «затягивание» процесса (рис. 5).

Рассчет выполнен для условий предыдущей модели, и а = 2.81, когда для атома Зоммерфельда реализуется резонанс Фостера между р- и «-состояниями (I — 1 в случае рис. 4). Численный рассчет системы дифференциальных уравнений выполнялся методом Рунге-Кутта 5 порядка с переменным шагом. Рассчет зависимости ЛГ(а) выполнялся с применением

Е [а.е.]

О

-2x10'

.-3

-4x10'

О 1х105 2х105 ЗхЮ5 4х105 5х105 6х105 7х105 8х105 9х105 1х1о'

,6

I [а.е.]

Рис. 5. Зависимость энергии РЭ от времени. Режим блокировки оптических переходов - резонанс Фостера

методики параллельных вычислений. Для усреднения результатов направление поля выбиралось случайным образом. Генератор случайных чисел — физический, основан на регистрации атмосферных шумов в радиодиапазоне.

Результаты моделирования показывают влияние режима резонанса Фостера на процесс диффузионной ионизации.

Третья глава посвящена рассмотрению времени жизни возбужденных состояний РА в режиме динамического хаоса и способу управления данным параметром. Подтверждается наличие существенной блокировки сил линий для оптических переходов в условиях резонанса Фостера, что выражается в сильном затягивании времен жизни РЭ.

Рассмотрены полные вероятности ^¡-^'(п) спонтанных переходов из га-состояния /-серии на все нижележащие уровни /'-серии (Г = I ± 1) (рис. 6). Рассматривается п = 13 уровень р-серии (1 = 1). Критические значения параметра а равны ар = 2.81 и оу = 11.8 для реализации резонанса Фостера (или как в литературе называют иначе — двойного штарковского резонан-са)между уровнями вир серий и уровнями р и в, серий соответственно. Видно существенное уменьшение (на порядки величин) вероятностей спонтанных переходов в окрестностях резо-

10

,-14-

а

Рис. 6. Вероятности (1) и (2) (а.е.) спонтанных переходов для состояния п = 13 р-серии в зависимости от параметра а атома Зоммерфельда.

ианса Фостера. Данный эффект должен приводить к затруднению развития стохастических процессов во внешних микроволновых полях, что выражается в затягивании времени диффузионной ионизации ридберговского состояния.

В эксперименте двойной штарковский резонанс может реализоваться при включении внешних стационарных электрических полей.

В четвертой главе приведен рассчет контура спектральной линии поглощения Р(ь>) с учетом максимального угла ф между направлениями вылета частиц, и диаметра И выходного отверстия источника атомарного пучка (АП) отличного от точечного при оптическом возбуждении частиц пучка светом в ортогональном к АП направлении.

На рисунке 7 показана модель пучка. Частицы пучка вылетают из источника А, с температурой Г по направлению к зоне реакции С. Зона реакции имеет толщину, которая много меньше расстояния до источника. Диафрагма В вырезает узкий пучок. Я - радиус зоны возбуждения.

Нормированное распределение -Г(и) по абсолютной величине скорости определяется в случае газодинамических пучков максвелловской функцией

т-

\fHvx

ехр(-

(8)

где (vf — скорость потока).

Рис. 7. Схема пучка. Лазерный луч направлен по ОХ и ортогонален АП. Рассматривается взаимодействие в тонком слое - зоне реакции С.

При рассмотрении поведения доплеровского контура при увеличении геометрических размеров источника с параметрами: <1 - диаметр выходного отверстия сопла, и й - радиус диафрагмы, необходимо проводить интегрирование не только по плоскости зоны реакции С и по плоскости источника Д.

Рассчет профиля при заданных размерах источника выявил монотонное уменьшение полуширины контура с ростом размеров сопла в диапазоне И < Я На рисунке 8 приведено сравнение контуров при различных диаметрах выходного отверстия источника.

Рис. 8. Контуры поглощения при радиусах источника <1 = 0.5, <1 = 0.75 и <1 = 0.1 мм. Радиус коллиматора Л = 6 мм

На расстоянии полуширины можно заметить некоторое сужение профиля. При изменении

диаметра выходного отверстия пучка контур меняется незначительно, что позволяет использовать в реальном эксперименте наиболее большой из имеющихся диаметров источника, что позволяет существенно повысить концентрацию частиц пучка в зоне возбуждения при оптимальных ширинах спектральных контуров линий поглощения.

В заключении сформулированы основные результаты

1) 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.

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

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

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

5) Впервые получены интегральные представления для приведенного доплеровского 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 В/О = 2

Публикации по материалам диссертации

1) Н.Н.Безуглов, М.Захаров, А.Н.Ключарев, А.А.Матвеев, К.Мичулис, Э. Сакс, И.Сыдорык, А.Экере. Приведенный Доплеровский контур поглощения в атомарных/молекулярных пучках. // Опт. и спектр., 2007. Т.102. X' 6. С.894-899.

2) Захаров М. Ю. Динамический хаос, индуцированный нестабильностью траектории валентного электрона ридберговского атома в микроволновом поле. // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета. Вып. 3. 2009. С. 13-25

3) Yu.N. Gnedin, A.A. Mihajlov, Lj.M. Ignjatovic, N.M. Sakan, V.A. Sreckovic, M.Yu. Zakharov, N.N. Bezuglov and A.N. Klycharev. Rydberg atoms in astrophysics // New Astronomy Reviews. V.3, Issues 7-10, July-October 2009, P.259-265

4) Захаров М.Ю., Арефьев K.H. Аномалии в спектрах ридберговских атомов. // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета. Вып. 1. 2010. С.164-167

5) М.Ю. Захаров, H.H. Безуглов, Н. М. Лисенков, А.Н. Ключарев, И.И. Бетеров, К. Ми-чулис, А. Экере, Ф. Фузо, М. Аллегрини. Оптимизация субдопплеровского котура поглощения в газодинамических пучках // Опт. и спектр., 2010. Т.108. ,V6. С.749-754.

Цитированная литература

[1] Афанасьев В. 3., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н. и др. "Физика магнитных звезд"// Конференция CAO РАН, 28-31 августа, 2006.

[2] Думан Е.Л., Шматов И.П. // ЖЭТФ. 1980. Т. 79. С. 2 1 1 6.

[3] Mihajlov A., Ianev R. // Phys. Rev. А. 1980. V. 21. P. 819.

[4] Безуглов Н.Н., Бородин В.М., Ключарев А.Н. и др. "Проявление дальнодействующего взаимодействия в процессах ионизации возбужденных атомов при тепловых и субтепловых столкновениях"// Оптика и спектроскопия. 1999. Т.86. С.922-928.

[5] 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

[6] Делоне Н. Б., Крайнов В. П., Шепелянский Д. Л. "Высоковозбужденный атом в электромагнитном поле"// УФН. 1983. Т.140. С.335-392.

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

[8] Бетеров И.М., Рябцев И.И., Фатеев Н.Ф. "Наблюдение двухфотонного динамического эффекта Штарка в трехуровневом ридберговском атоме натрия"// Письма в журнал экспер. и теор. физики. 1988. Т.48. С.181-183.

[9] Н.Н.Безуглов, В.М.Бородин, А.Екерс, А.Н.Ключарев. "Квазиклассическое описание стохастической динамики Ридберговского электрона в двухатомном квазимолекулярном комплексе". Опт. и спектр., 2002, том. 93, стр 721.

Подписано в печать 07.09.2010. Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ 367

Отпечатано в типографии ООО «Адмирал»

199048, Санкт-Петербург, В. О., 6-я линия, д. 59 корп. 1, оф. 40Н

Введение.

ГЛАВА 1. Обзор работ по теме диссертации

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.

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

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.