Введение к работе
Актуальность работы. Многие физико-химические свойства вещества определяются электронным строением. Знание электронного строения позволяет не только объяснять обнаруженное поведение вещества, но и предсказывать, создавать материалы с заранее заданными свойствами. В исследовании электронной структуры атомов, молекул и твердых тел достигнут некоторый успех. Этот успех обеспечен современными методами математического моделирования и расчета. Наиболее популярными являются методы расчета электронной структуры вещества в основном состоянии. Однако больший интерес представляют возбуждения, в которых пребывают электроны реального вещества. Более того, измерить какие-либо характеристики электронов, находящихся в основном состоянии, означает оказать на них воздействие и, следовательно, перевести их в возбужденное состояние.
Целенаправленное создание наноструктурных материалов в режиме «самосборки» требует очень глубокого и достаточно полного представления о взаимодействии кластеров - строительных элементов создаваемых материалов. По своим физическо-химическим свойствам кластеры занимают промежуточное положение между атомами и молекулами с одной стороны и конденсированным веществом - с другой. Эволюция кластеров ведет к образованию либо газовой фазы, либо конденсированной фазы, проходя ряд метастабильных состояний. Кластеры обладают высокой химической активностью, а цепь процессов перехода от одного состояния к другому является сложной и неравновесной. Еще более сложные взаимодействия кластеров происходят в условиях внешних воздействий, с помощью которых можно и управлять этими процессами.
Изучение процессов, проходящих при переходе из одного промежуточного состояния в другое, удобно проводить на основе такой ab initio (первопринцип-ной) теории, которая позволила бы в рамках единой схемы рассчитать большую совокупность различных свойств материала, достаточно надежно подтвержденных экспериментом. Расчеты здесь важны и потому, что многие величины гораздо легче вычислить, чем измерить. С их помощью уже сегодня можно получить весьма полное представление о свойствах вещества, даже еще не синтезированного. Достаточно точный количественный расчет важен еще и потому, что явления и процессы, происходящие при формировании кластеров, определяются большим количеством конкурирующих факторов, не позволяющих ограничиться качественными соображениями. При этом возникает вопрос о выборе метода расчета, его физической корректности и математической точности.
Проблема описания свойств кластеров при различных условиях, выдвигает на первый план необходимость обоснования физических моделей и приближений, принимаемых при расчётах этих свойств. При рассмотрении адекватности и обоснованности моделей физических явлений теоретический анализ может оказаться не менее эффективным, чем прямые экспериментальные проверки конкретных результатов расчетов. Данный факт связан с ограниченностью возможностей экспериментов и погрешностью получаемых экспериментальных данных.
Цель работы: разработать методику количественного описания возбужденных состояний многоатомных систем используя методы компьютерного моделирования.
В качестве объектов исследования и для проверки адекватности созданной математической модели были выбраны атомы и кластеры таких химических элементов, как гелий, неон, натрий и фтор. Данный выбор связан, в первую очередь, с разнообразием валентных состояний и типов гибридизации между атомами. При этом между отдельными группами атомов с сильными связями внутри может существовать слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие. При низких температурах эти атомы могут формировать трехмерные кристаллические структуры, такие как гексагональная, ромбическая, кубическая.
Гелий выбран постольку, поскольку интерпретация экспериментальных данных именно для него должна быть простой и однозначной, в отличие, например, от интерпретации экспериментальных данных для атомов щелочных металлов из-за наличия у них сверхтонкой структуры в основном состоянии. Гелий считается химически не активным, поэтому часто используется в качестве буферного газа. Неон также химически инертен ко всем веществам, за исключением газообразного фтора. В гелий-неоновых лазерах неон является рабочим веществом, которому резонансным образом передаются возбуждения от гелия.
Фтор наиболее реакционно способный из всех элементов и один из самых сильных промышленно получаемых окислителей. Это качество широко применяется в промышленности для фторирования поверхностей материалов, чтобы изменить окрашиваемость, адгезионные, барьерные и химические свойства материалов. К сожалению, о фундаментальных особенностях существенно неравновесных процессов, происходящих при фторировании, имеются лишь отрывочные и неполные данные.
Выбор натрия связан с наличием у атомов щелочноземельных металлов магнитного момента. Благодаря этому их можно удерживать в «магнитных ловушках». В таких ловушках атомы с магнитным моментом можно охлаждать до температуры порядка нескольких сотен нК и наблюдать бозе-эйнштейновскую конденсацию. Именно бозе-эйнштейновский конденсат, впервые полученный в 1995 году на атомах натрия, и предопределил интерес к нему как ультрахолодному газу. Если вначале изучались удивительные свойства самих конденсатов, то теперь они используются для исследования различных проблем физики, которые не удается исследовать другими методами.
Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:
-
Проанализировать существующие методы исследования и описания возбужденных состояний многоэлектронных систем.
-
Создать математическую модель количественного описания возбуждений многоэлектронных систем в условиях внешнего воздействия.
-
Предложить методы, необходимые для реализации созданной математической модели.
-
Спроектировать и разработать программное обеспечение для реализации математической модели.
-
Проверить адекватность математической модели.
-
Оценить времена жизни возбужденных состояний в кластерах, состоящих из атомов гелия, неона, натрия и фтора.
Научная новизна:
-
Разработан новый математический метод имитации распада квантовых состояний многоатомных систем, основанный на рассмотрении всех возможных орбитальных состояний, в том числе нерегулярных на сфере.
-
Создан программный комплекс, реализующий эффективные численные методы и алгоритмы, для проведения вычислительного эксперимента, описывающего распад многоатомных систем.
-
Предложена методика исследования энергетических характеристик электронов и времени распада возбуждений в атомах и кластерах, основанная на новом методе имитации распада квантовых состояний многоатомных систем.
-
Проведенные исследования энергетических характеристик электронов и времени распада возбуждений в атомах и кластерах гелия, неона, натрия и фтора позволили обнаружить в предложенной модели коллапс атомов, долгоживущие возбуждения, перестройку электронных оболочек.
Достоверность полученных результатов обеспечивается математической корректностью постановки и решения сформулированных задач, соответствием результатов расчета результатам других авторов экспериментальных и теоретических работ.
Практическая значимость работы состоит в создании нового подхода для описания возбуждений многоэлектронных систем. С его помощью, в частности, можно предсказывать принципиальную возможность существования возбужденных долгоживущих состояний. На основе разработанной математической модели и предложенной методики исследования электронной структуры кластеров в полях большой мощности уже сегодня можно получить весьма полное представление о свойствах вещества, даже еще не синтезированного. Например, опираясь на результаты расчетов, можно генерировать кластеры для создания нанофильтров, деталей наномеханизмов, медицинских дозаторов, электронных элементов, накопителей и преобразователей энергии.
На защиту выносятся:
-
Методика учета квантового распада возбужденных состояний в методе Кона-Шема (функционала электронной плотности).
-
Программный комплекс, численно моделирующий поведение многоэлектронных систем в условиях внешнего воздействия.
-
Методика исследования электронной структуры кластеров в полях внешнего воздействия.
-
Результаты расчета энергетической структуры электронов в кластерах гелия, неона, натрия и фтора, а также времен жизни возбужденных состояний в них.
Апробация работы. Основные результаты работы апробированы на: Одиннадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2005; XLIII Международной научной студенческой кон-
ференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2005; XLV Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2007; IV Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь-2007», Барнаул, 2007; V Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь-2008», Барнаул, 2008; VI Международной научной школы-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение», Барнаул, 2009; VI Всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь-2009», Барнаул, 2009; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Новые материалы. Создание, структура, свой-ства-2009», Томск, 2009; II Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях - ММПСН-2009» Москва, 2009, VII Всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь-2010», Барнаул, 2010; XII Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2011.
Президиум Российской Академии Наук постановлением № 201 от 24 января 2006 года присудил Попову В. В. медаль Российской академии наук за работу «Решение спектральной задачи в методе функционала электронной плотности».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ в Реестре программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 123 наименований, содержит 120 страниц машинописного текста, включает 14 рисунков и 10 таблиц.
