Введение к работе
Актуальность проблемы
Долгое время является актуальной проблема образования многочастичньгх кластеров в газах щелочных металлов [1-4]. Это касается атомов и молекул, находящихся как в основном состоянии, так и в возбужденных состояниях, в том числе в ридберговских состояниях, когда главное квантовое число п » 1. Одной из особенностей такого состояния является его водородоподобность. Она обусловлена тем, что при больших значениях п внешний электрон удален от положительно заряженного атомного остатка на значительные (по сравнению с основным состоянием) расстояния, и энергетические уровни тем меньше отличаются от водородных, чем больше п. Иногда такую систему называют ридберговским веществом.
Экспериментальные исследования ридберговского вещества достаточно невелики и противоречивы, хотя возможность существования таких систем была предположена Э. А. Маныкиным еще в 80-х годах [5-8]. С тех пор эксперименты проводились лишь четырьмя группами исследователей из Швеции, США и России.
Также большой интерес вызывают конденсированные состояния, возникающие в достаточно разреженных газовых системах, которые получаются методами лазерного охлаждения с последующим захватом в магнитные ловушки. Работы группы иследователей из США [10-12] дали возможность узнать физические свойства частично ионизованного ридберговского вещества при криогенных температурах. В этих работах были получены системы высоковозбуждённых и ионизованных атомов, имеющие ряд свойств и особенностей, нуждающихся в теоретическом изучении. Было показано, что такие сильно разреженные системы обладают свойствами конденсированных состояний, присущих обычным жидкостям и газам.
Теоретических работ, посвященных исследованию свойств ридберговского вещества очень мало и до сих пор нет единой непротиворечивой модели, позволяющей объяснить все экспериментальные данные и рассчитать свойства этих систем.
Диссертация посвящена расчету термодинамических свойств частично ионизованного ультрахолодного ридберговского вещества, состоящего из ридберговских атомов различного уровня возбуждения, а также ионов и электронов непрерывного спектра.
Цель работы
Цель настоящей работы состояла в разработке теоретической модели и численного метода расчёта термодинамических и корреляционных свойств частично ионизованного ридберговского вещества на основе метода Монте-Карло, в определении зависимости термодинамических параметров от параметра неидеальности и обосновании возможности образования упорядоченной структуры из ионов и электронов подобной кристаллической решётке в твёрдых телах.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
сделана оценка времени релаксации электрон-ионной температуры и обоснована возможность расчёта термодинамических свойств частично ионизованного ультрахолодного ридберговского вещества;
разработан метод точного численного расчёта двухчастичной матрицы плотности электрон-протонного взаимодействия для температур <100К;
разработана физическая модель для расчёта термодинамических свойств частично ионизованного ридберговского вещества методом Монте-Карло;
осуществлён расчет термодинамических свойств и корреляционных функций частично ионизованного ридберговского вещества в области температур 0.1 - 1000 К и концентраций 10"2-1016см3
Научная новизна работы
Предложен упрощённый численный метод расчёта двухчастичной матрицы плотности и псевдопотенциала электрон-протонного взаимодействия для разных уровней заселённости в области низких температур (< 100 К) и сделана оценка точности квазиклассического подхода к расчёту псевдопотенциала в этой же области температур.
Для области температур 0.1 - 1000 К разработана псевдопотенциальная модель взаимодействия в двухкомпонентной системе ридберговских атомов, в которой методом Монте-Карло можно рассчитывать термодинамические и корреляционные свойства системы, состоящей из ридберговских атомов различного уровня возбуждения, а также ионов и электронов непрерывного спектра.
Сделана оценка времени релаксации электрон-ионной температуры и обоснована правомерность расчёта термодинамических свойств систем ридберговских атомов для экспериментальных условий на временах, когда успевает установиться термическое равновесие, благодаря замедлению рекомбинации.
Рассчитаны корреляционные и термодинамические функции частично ионизованного ультрахолодного ридберговского вещества для различных температур и плотностей, в том числе экспериментальных (0.1 - 1000 К и Ю-2 - 1016 см-3).
На основании полученных данных сделан вывод о возможности существования упорядоченной структуры в системе частично ионизованных ридберговских атомов при различных значениях параметра неидеальности.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты и метод точного расчета двухчастичной матрицы плотности электрон-протонного взаимодействия в области температур 0.1-100 К.
Псевдопотенциальная модель расчета термодинамических свойств разреженной системы ультрахолодных ридберговских атомов, где электроны находятся на разных уровнях возбуждения и в непрерывном спектре.
Результаты расчёта термодинамических свойств и корреляцонных функций частично ионизованного газа ридберговских атомов.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на 13-й международной конференции по лазерной физике (Триест, Италия, 2004), ХХІІ-й международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус, 2007) и Научной сессии МИФИ-2008 (Москва, 2008).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 2 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и библиографии. Общий объём текста, включая 28 рисунков и одну таблицу, составляет 92 страницы.
