Физики исследовали применимость полурелятивистского подхода при описании процессов фотоионизации в интенсивных лазерных полях. Для этого они провели подробную симуляцию облучения атома водорода, находящегося в циркулярном ридберговском состоянии, мощным лазерным импульсом инфракрасного диапазона. Ученые выяснили также, что процесс ионизации в первую очередь вызван давлением света, нежели действием электрического поля, наведенного таким импульсом. Работа опубликована в Physical Review A.
Развитие лазерных технологий открыло перед физиками новые режимы генерации света. Особый интерес представляет генерация сверхкоротких лазерных импульсов, потому что в этом случае вся энергия оказывается сконцентрирована в небольшой временной области. На сегодняшний день рекордной признана интенсивность, равная 2×1022 ватт на квадратный сантиметр. При воздействии таких сильных полей поведение вещества становится совершенно иным. Это, в свою очередь, требует пересмотра теоретических подходов к его описанию. На квантовом уровне речь идет в первую очередь про учет релятивистских (то есть проявляющихся на скоростях, сопоставимых со скоростью света) эффектов.
Задача полного объединения квантовой механики и специальной теории относительности была решена Дираком в 1928 году. Он вывел уравнение, которое обобщало уравнение Шрёдингера на релятивистский случай. Оба этих уравнения определяют то, как будет развиваться состояние системы во времени, однако решение уравнения Дирака, как аналитически, так и численно, более трудоемко, чем решение уравнения Шрёдингера. Это заставляет физиков искать новые приближенные методы, которые, опираясь на уравнение Шрёдингера, позволяют учесть какие-либо релятивистские эффекты с достаточной точностью. В новой работе группа ученых из Норвегии и Швеции при участии Тор Челльсон Линблом провела апробацию одного из таких методов.
Для этого они рассмотрели процесс ионизации атома водорода в поле лазерного импульса с длинной волны 800 нанометров и пиковой интенсивностью 1017 ватт на квадратный сантиметр. Сам атом при этом рассматривался находящимся в циркулярном ридберговском состоянии. Ридберговским называется состояние с большим значением главного квантового числа n, в то время как циркулярным называется состояние с максимально возможными для текущего n орбитальным и магнитным квантовыми числами (l и m соответственно). Выбор именно таких состояний обусловлен несколькими причинами. С одной стороны, ионизация из таких состояний подавлена, и это позволяет релятивистским эффектам проявиться раньше, чем все атомы на пути пучка потеряют свои электроны. С другой — переходы в нижние состояния также подавлены в силу дипольных правил отбора. Наконец, электроны в ридберговских состояниях находятся в среднем достаточно далеко от ядра и остальных электронов, что позволяет рассматривать атом как водородоподобный и применять соответствующие формулы, которые гораздо проще, чем в случае многоэлектронных атомов. Все это делает циркулярные ридберговские атомы прекрасными кандидатами для экспериментальной проверки описываемых эффектов.
При моделировании процессов авторы использовали три подхода: нерелятивистский, полурелятивистский и релятивистский. Первый и третий представляли собой точное численное решение уравнений Шрёдингера и Дирака соответственно. Последнее гораздо сложнее, чем первое, потому что, во-первых, требует учитывать четыре компоненты в векторе состояния (биспинор) против одной в нерелятивиском случае (скаляр), а во-вторых имеет бо́льшие требования к разбиению оси времени на дискретные интервалы из-за неопределенности Гейзенберга. Наконец, полурелятивистский подход — это решение уравнения Шрёдингера, в котором масса свободного электрона заменена на т.н. «одетую» массу, то есть массу электрона, утяжеленного взаимодействием с полем.
Вычисления во всех случаях проводились на суперкомпьютерах Saga и Fram, расположенных в Норвегии. Перед этим авторы провели большую работу по оптимизации уравнений, что позволило снизить объем обрабатываемой информации с 4,8 терабайт до 8 гигабайт в нерелятивистском случае и c 76,8 терабайт до 128 гигабайт в релятивистском случае. Несмотря на это самая большая симуляция, проведенная на суперкомпьютере Fram с 2208 ядрами, обрабатывалась почти неделю. При этом, как утверждают авторы работы, в полурелятивистском случае вычисления проходили в 30 раз быстрее, чем в релятивистском.
В результате были получены графики зависимости вероятности ионизации от интенсивности поля для атома с n=11. В релятивистском случае в силу трудоемкости физики ограничились всего двумя точками. Оказалось, что результаты, полученные в полурелятивистском и релятивистском случаях почти не отличаются. Отсюда авторы сделали вывод о незначительном влиянии спиновых эффектов и тонкой структуры энергетических уровней атома на рассматриваемые процессы, выделив увеличение инерции как единственный существенный релятивистский эффект. Кроме того, авторы заметили, что в нерелятивистском случае график оказался завышенным, что означает, что релятивистское увеличение инерции — это фактор, препятствующий отрыву электрона. Сама поправка к массе на пике импульса при этом достигала семи процентов, в то время как скорость электрона оценивалась в 0,38 от скорости света.
Помимо этого ученые исследовали спектры испускаемых фотоэлектронов, а также то, насколько электрон смещается в результате процесса ионизации. Оказалось, что его смещение практически полностью определяется давлением света, нежели воздействием электрических полей в лазерном излучении. Этот результат говорит о неприменимости дипольного приближения, поскольку в этом случае такого смещения бы не наблюдалось.
Проделанная авторами работа позволит сократить вычислительное время, затрачиваемое на симуляцию процессов взаимодействия высокоинтенсивного излучения с веществом. Это особенно актуально для систем лазерного ускорения элементарных частиц, которые могли бы заменить многокилометровые ускорители.
Ридберговские атомы давно привлекают внимание ученых. Ранее мы сообщали, что с их помощью была создана молекула с гигантским дипольным моментом и даже продемонстрирована работа атомного радио.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение