Введение к работе
з
Актуальность темы
Изучение фундаментальных свойств физических явлений и формулировка наиболее существенных качественных и количественных закономерностей, лежащих в основе этих явлений — основная задача теоретической физики.
Развитие современной микро- и наноиндустрии осуществляется посредством перехода к применению во все более широких масштабах явлений микромира для осуществления базовых процессов управления, обработки, хранения и передачи информации, создания эталонов единиц измерения физических величин, миниатюризации традиционных и проектирования принципиально новых квантово-оптических устройств для современных наукоемких технологий.
В связи с этим современная физическая наука имеет одним из своих важнейших направлений исследование свойств микросистем, в частности, отдельных атомов, а также процессов их взаимодействия с окружающей средой. Ридберговские (высоковозбужденные) состояния атомов благодаря своим специфическим свойствам находят все новые применения и являются объектом, к которому все возрастает интерес в научном среде.
В представляемой диссертации основное внимание уделяется одной из ключевых характеристик высоковозбужденных состояний нейтральных атомов, их временам жизни. Рассматриваются как строго изолированные нейтральные атомы, так и атомы, погруженные в поле излучения нагретых тел (то есть, находящиеся под воздействием теплового, или чернотельного, излучения).
Цели работы
Основной целью диссертационных исследований было получение простых аналитических формул для надежных оценок вероятностей радиационных процессов тушения, возбуждения и ионизации нейтральных ридберговских атомов тепловым излучением в широком диапазоне температур.
В качестве первого этапа исследований выполнялись пробные расчеты на основе атомного модельного потенциала Фьюса абсолютных скоростей спонтанных распадов, термоиндуцированных тушений, термоиндуцированных возбуждений, термоиндуцированной ионизации. Полученные результаты сравнивались с наиболее надежными данными, имеющимися в научной литературе, на основе чего производился наиболее адекватный выбор параметров модельного потенциала, которые в дальнейшем использовались для полномасштабных расчетов в конкретных сериях ридберговских состояний атомов.
Дальнейшая работа состояла в выявлении качественных и количественных закономерностей поведения скоростей термоиндуцированных процессов в зависимости от энергии связи ридберговских состояний и от температуры окружающей
среды. На основе этих закономерностей конструировались простые теоретически обоснованные аппроксимационные формулы для надежных количественных оценок вероятностей термоиндуцированных радиационных переходов из ридберговских состояний атомов водорода, гелия и щелочных металлов. Основным отличием от ранее известных подходов к построению аппроксимаций стала модификация физически обоснованных асимптотических выражений с помощью полиномов. Эмпирические коэффициенты для этих полиномов подбирались на основе самостоятельно полученных численных данных.
Научная новизна
В представляемой диссертации впервые представлены систематические расчеты скоростей трех различных термоиндуцированных радиационных процессов: 1) тушений, 2) возбуждений и 3) ионизации ридберговских состояний нейтральных атомов. Предложены модификации метода модельного потенциала Фьюса с учетом спектральных особенностей конкретных серий одноэлектронных возбуждений в атомах.
Также впервые предлагаются корректируемые полиномами асимптотические аппроксимации и температурная параметризация коэффициентов этих полиномов для расчетов вероятностей термоиндуцированных процессов. Полученные аппроксимации позволяют проводить с хорошей точностью оценки скоростей отдельных процессов теплового уширения ридберговских состояний в широком диапазоне температур Т = 100-2000 К и главных квантовых чисел состояний вплоть до п = 2000.
Рассчитанные вероятности термоиндуцированных радиационных переходов из ридберговских состояний с главными квантовыми числами п > 100 позволяют определить точность ранее известных квазиклассических оценок. Определены погрешности широко известной приближенной формулы Куке-Галлахера для оценки полного теплового уширения ридберговских уровней [1].
Практическая значимость
Результаты диссертации открывают новые возможности для простых и точных оценок вероятностей спонтанных и вынужденных радиационных переходов из ридберговских состояний в состояния дискретного и непрерывного спектра нейтральных атомов. Впервые определены соотношения между вероятностями различных радиационных процессов (спонтанные распады, вынужденные тушения, возбуждения, ионизация) на высоковозбужденных ридберговских атомах в широком диапазоне температур. Определены закономерности для спонтанных и термоиндуцированных процессов. Результаты диссертации предоставляют новую информацию о поведении ридберговских состояний в поле теплового излучения и могут быть использованы для интерпретации экспериментальных данных, а также
для планирования новых экспериментов с ридберговскими атомами и для оценки влияния теплового излучения окружающей среды на прецизионные измерения физических величин. Проведенные исследования могут быть полезными при разработке методик измерения температуры равновесного теплового излучения в масштабах микросистем.
Положения, выносимые на защиту
Полиномиальные аппроксимации для времен жизни и скоростей спонтанных распадов ридберговских состояний в изолированных атомах.
Основные закономерности поведения скоростей термоиндуцированного тушения и возбуждения ридберговских состояний атомов и аналитические аппроксимации для этих скоростей. Связь парциальных и суммарной скоростей возбуждений в высокие ридберговские состояния с сечением пороговой ионизации.
Асимптотическая зависимость вероятности термоиндуцированной ионизации ридберговского состояния от энергии связи, соотношение данных точных расчетов с квазиклассическим пределом, аппроксимация скоростей термоиндуцированной фотоионизации. Область применимости и точность квазиклассического приближения в расчетах пороговых сечений и вероятностей ионизации высоких ридберговских состояний тепловым излучением. Количественные оценки вклада процессов ионизации в термоиндуцированное уширение высоких ридберговских уровней. Оценка погрешности и области применимости асимптотической формулы Куке-Галлахера для уширения ридберговских уровней тепловым излучением.
Выбор параметров модельного потенциала Фьюса для расчетов в конкретных атомах амплитуд связанно-связанных и связанно-свободных переходов.
Апробация работы
Результаты, вошедшие в представляемую диссертацию докладывались на трех всероссийских и шести международных конференциях: XVIII Конференция Фундаментальная атомная спектроскопия (Звенигород, 2007); ФАС XIX: конф. и школа молодых ученых по фундаментальной атомной спектроскопии (Архангельск, Соловки, 2009); XXIV Съезд по спектроскопии (Москва, 2010); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO): Conference on Lasers, Applications and Technologies (LAT), ICONO/LAT 2007 (Belorussia, Minsk, 2007); CEPAS 2008: 4th Conference on Elementary Processes in Atomic Systems (Cluj-Napoca, Romania, 2008); MPLP 2008: The Fifth International Symposium: Modern Problems of Laser Physics (Novosibirsk, Russia, 2008); 41th EGAS Conference (Gdansk, Poland, 2009); Photonica
09: II International School and Conference on Photonics (Belgrade, Serbia, 2009); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO): Conference on Lasers, Applications and Technologies (LAT): School for Young Scientists and Engineers (ICONO/LAT-SYS): ICONO/LAT 2010 (Kazan, Russia, 2010).
Публикации
По материалам диссертации имеется 22 публикации в форме статей и тезисов докладов на конференциях. Семь статей опубликованы в журналах из перечня ВАК РФ.
Личный вклад автора
Работа выполнена на кафедре теоретической физики Воронежского государственного университета. Определение целей и задач диссертации, а также анализ полученных результатов осуществлялся непосредственно научным руководителем, доктором физико-математических наук, проф. Овсянниковым В.Д.
Автором осуществлена детализация целей исследований, разработаны алгоритмы массовых численных расчетов дипольных матричных элементов для переходов из высоковозбужденных состояний в другие связанные состояния и непрерывный спектр, проведена обработка результатов. Автором самостоятельно и независимо от других участников исследования были выполнены численные расчеты, лежащие в основе практически всех результатов, представленных в диссертации. Также при участии автора проведен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Структура и объем диссертационной работы
Похожие диссертации на Радиационные переходы в ридберговских атомах, индуцируемые равновесным тепловым излучением
