Введение к работе
Актуальность работы. Интерес к изучению малочастичных агрегаций обусловлен целым рядом особых физических свойств, присущих мезоскопическим объектам (т.е. промежуточным меаду отдельными атомами или молекулами и макроскопическими телами).
Это, с одной стороны, отсутствие универсальности в поведении таких объектов, что вызвано сильной чувствительностью к числу частиц и к образованной ими структуре. С другой стороны, в некоторых своих проявлениях они несут в себе элементы макроскопического поведения. При этом к.описанию свойств кластеров может быть применим термодинамический подход. Э настоящее время накоплен богатый экспериментальный материал, связанный с успешным развитием современных методов приготовления и исследования кластеров. Это, в частности, кластеры из адсорбированных атомов на поверхности, кулоноЕские (ионные или электронные) кластеры в электромагнитных ловушках, электронные кластеры в эффективных потенциальных ямах в полупроводниках и т.д. Все это требует теоретического осмысления. Однако, теоретические методы, пригодные для исследования атомных или молекулярных систем, оказываются, как правило, неприемлемыми в случае кластеров, содержащих десятки и сотни частиц. По вышеизложенным причинам к кластерам в большинстве случаев неприменимы и статистические методы. Поэтому одним из немногих адекватных подходов к исследованию этих систем является численный эксперимент, позволяющий моделировать их поведение из первых принципов. Традиционными в этом отношении являются расчета методами молекулярной динамики и Монте-Карло. Большинство задач, решаемых в денной диссертации,посвящено
исследованию с помощью этих методов явлений кластеризации, а также структурных и фазовых перестроек в кластерах. Кинетика образования кластеров существенно зависит от взаимодействия частиц на далеких расстояниях. В работе изучается вопрос о детальном виде взаимодействия нейтральных атомов на больших расстояниях.
Таким образом, тема диссертации относится к одной из наиболее активно развивающихся областей физики кластеров.
Цель работы состоит -.;
-
в теоретическом исследовании взаимодействия нейтральных атомов,
-
в численном моделировании процессов кластеризации поляризующихся во внешнем поле частиц,
-
в моделировании классических кулоновских кластеров в ловушках,
-
в численном исследовании квантового плавления электронных кластеров в ловушках.
Научная новизна работы.
Все основные результаты, полученные в диссертации, являются новыми.
-
Впервые с высокой точностью вычислены константы Ван-дер-Ва-альса взаимодействия двух атомов с учетом поправок на конечность масс ядер.
-
Впервые в численном эксперименте исследованы процессы анизотропной кластеризации в сильном поле системы поляризующихся частиц.
-
С помощью молекулярно-динамического моделирования кулоновских кластеров в квадратичных ловушках пре;сказано наличие у
-3-них оболочечной структуры. Впервые исследован вопрос об иерархии фазових переходов в кулоновских кластерах.
-
Вперше с помощью численного расчета изучено квантовое плавление электронного кластера.
-
На примере моноэлектронного квантового осциллятора исследованы свойства сходимости численних расчетов интегралов по траекториям.
Практическая.ценность работы
Результати моделирования кулоновских кластеров в квадратичних ловушках использованн при интерпретации экспериментов над системой ионов в ловушках Поля и Пвннинга, а также могут лечь в оонову будущих экспериментальных и теоретических работ по исследованию фазовых переходов в классических и квантовых кулоновских системах. Характер жидкокристаллического упорядо-їєния, обнаруженного при моделировании дипольних систем, согласуется с экспериментами по магнитным жидкостям. Результаты логут бить использованн для интерпретации экспериментов с пс-іяризувдимися частицами в сильном электрическом поле. Анизотропное упорядочение также может наблюдаться в холодных атомных іучхах в сильных лазерных полях, во взвесях сверхпроводящих іастиц в магнитных полях. Разработанный в главе 4 метод может інть применен для расчетов ван-дер-ваальсового взаимодействия і случае более сложных атомных систем.
Защищаемые полоненая
В диссертации защищаются следущие основные положения. I. В системе частиц, обладавдих дипольним моментом, нахо-шщхся в сильном поле, параллельном плоскости движения этих
-4-частиц, имеет место фазовый переход анизотропная жидкость -
жидкий кристалл. В "замороженной" состоянии система состоит
из сильно вытянутых вдоль внешнего поля кластеров.
-
Кулоновские кластеры в симметричных ловушках при достаточно низких значениях температуры и квантового параметра обладают оболочечной структурой.
-
классической случае в этих системах имеется иерархия фазовых переходов, обусловленная особенностями оболочечного строения. В низкотемпературной области в 23) -кластерах происходит "ориентационное плавление", сопровождающееся относительным вращением оболочек. Низкотемпературное плавление 3D -кластеров отвечает появлении в системе аномальной диффузии, при которой частицы не покидают своих сферических оболочек. Высокотемпературное плавление в 2D - и 3D -кластерах соответствует установлению в системе нормальной диффузии и разрушению оболочечной структуры.
-
Полученные скорости сходимости численных расчетов интегралов по траекториям в случае квантового моноэлектронного осциллятора позволяют выработать методику моделирования квантовых кулоновских кластеров.
-
В квантовой кудоновском кластере при низкой температуре имеет место плавление, обусловленное квантовыми флуктуация-ми при повышении значения квантового параметра. Плавление происходит по типу кроссовера.
-
Метод i/d -разложения эффективен при расчете ван-дер-ваальсового взаимодействия двух удаленных одноэлектроиных атомов и позволяет учесть конечность масс ядер.
-5"-
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на летней школе по локализации и охлаждению атомных частиц в Хельсинки (1986), на сессии Отделения общей физики- и астрономии АН СССР (1987), на конференции молодых ученых в Igffll (1988), на конференциях по математическому моделированию в Лущино (1987) и в Чегете (1988), на конференции по моделировании на ЭВМ радиационных и других дефектов в кристаллах (Одесса, 1990), на семинарах ФИАН, ИСАЙ, на московском семинаре по молекулярной динамике.
Публикации. Материал диссертации опубликован в работах /1-8/.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и занимает 148 страниц. Список литературы включает 82 наименований.
