Численное моделирование динамики экзотических атомных состояний в лазерных полях

• Автор: Тепер, Наталья Игоревна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 122 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. Формирование локализованных волновых пакетов ридберговских состояний атомов под действием лазерного импульса

1.1 Волновые пакеты ридберговских состояний атомов

1.2. Модель взаимодействия атома водорода с лазерным импульсом

1.3. Результаты численного моделирования

1.4 Решение задачи без дипольного приближения

1.5 Учет потерь ионизации

1.6 Получение состояний с высокими значениями орбитального и магнитного квантовых чисел
1.7 Исследование возможности генерации терагерцевого излучения в атоме водорода под действием импульса титан-сапфирового лазера
2. Описание волновых пакетов ридберговских атомов на основе модифицированного обобщенного метода моментов
2.1 Временная эволюция локализованных волновых пакетов (обзор)
2.2 Применение модифицированного обобщенного метода моментов для описания эволюции волновых пакетов ридберговских атомов
3. Исследование метастабильных состояний антипротонного гелия
3.1 Характеристика метастабильных состояний антипротонов в гелии
3.2 Используемая модель взаимодействия антипротонного гелия с лазерным импульсом
3.3 Результаты численного моделирования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
Локализованные волновые пакеты ридберговских состояний атомов соответствуют классической, планетарной модели атома, они характеризуются аномально большими атомными размерами, высокими значения квантовых чисел во всех степенях свободы, движение локализованного волнового пакета является аналогом движения по классической кеплеровской траектории. Такие атомные системы сочетают одновременно классические и квантовые свойства, что делает их исследование актуальным для решения проблем перехода от квантового описания к классическому, в том числе при создании квантоворазмерных наноструктур. Отличаясь высокой чувствительностью к воздействию внешних полей, они являются примером управляемых состояний атома. Произведение неопределенностей координаты и импульса для локализованного волнового пакета близко к минимальному значению, поэтому такой объект можно рассматривать как хорошее приближение когерентного состояния атома.
Благодаря своим особым свойствам такие атомные системы находят применение для решения ряда научных задач. Например, для установления связей между орбитами классически хаотических систем и движением квантового волнового пакета, сжатия электромагнитного поля в резонаторе, управления поведением электрона. В том числе, как показывают недавние исследования [1], методы, используемые для возбуждения ридберговских состояний и управления ими, могут применяться к атомам антивещества для решения обратной задачи - снятия возбуждения и перевода позитрона на более низкие уровни. С ридберговскими волновыми пакетами связывается одно из направлений развития технологии квантовой информации [2-4]: рассматривается возможность кодирования многих бит информации во множестве уровней ридберговского атома, в виде волнового пакета, и осуществление
логических схем Между битами, которые таким образом закодированы.
Отличными по структуре, но сходными по некоторым свойствам с рид-берговскими волновыми пакетами объектами являются метастабильные состояния антипротонного гелия. Атом антипротонного гелия представляет собой систему трех тел: ядра атома гелия, внутреннего электрона и антипротона. Динамика антипротонного гелия соответствует движению антипротона вокруг общего центра масс с ионом гелия, поэтому данный квантовый объект уникальным образом сочетает свойства атомов и двухатомных молекул в одной системе, для которой в литературе употребляется термин «атомкула». Ее метастабильные- состояния являются антипротонным аналогом планетарного атома, характеризуются большими атомными размерами, высокими значениями главного, орбитального и магнитного квантовых чисел.
Метастабильные состояния антипротонов в гелии представляют значительный интерес как средство аккумулирования антиматерии в виде нейтральных атомов. Такие состояния имеют большое значение для задач фундаментальной физики вследствие возможности их использования для измерения основных констант антипротона. Эти измерения и связанное с ними теоретическое и экспериментальное изучение антипротонных атомов, так называемых атомкул, создают базу для решения наиболее значимых проблем теоретической физики, таких как проверка СРТ-инвариантности, гравитационных свойств античастиц, квантово-электродинамических поправок.
Особые свойства рассматриваемых систем привлекли к ним внимание многочисленных исследователей: были предложены различные подходы к теоретическому'исследованию структуры локализованных волновых пакетов и способы их экспериментального получения. Достижения в данной области значительно расширили возможности изучения динамики заселенностей рассматриваемых систем, но с другой стороны были ограничены рядом проблем. Значительные трудности связаны со сложностью создания локализованных волновых пакетов, экспериментальное получение которых требует применения особых комбинаций специально подобранных полей. Другая проблема
I, фс
100 200 300
Рис. 1.4. Заселенность ридберговских состояний П =20+25. Е0 =
4,6х 106 В/см, продолжительность импульса 600 фс.
Практическая реализация описанной модели процесса взаимодействия атома с излучением, связана с необходимостью достижения подходящих параметров импульса для заселения ридберговских уровней. Это требует использования с одной стороны достаточно высокой амплитуды поля, требуемой для возбуждения переходов на высоколежащие уровни, а с другой -ультракоротких импульсов, таких, чтобы переносимая ими энергия была минимальной и позволяла избежать разрушения атома.
Существующие мультитерраватные фемтосекундные лазерные комплексы [52] на основе ТкБа обеспечивают генерацию ультракоротких импульсов высокой интенсивности и служат для решения различных задач требующих сверхсильных оптических полей. С целью оценки пригодности таких лазеров для решения рассматриваемой задачи нами было выполнено численное моделирование взаимодействия импульса титан-сапфирового лазера с атомом водорода на основе представленной в разделе 1.2. модели.
С учетом сверхмалой длительности импульса и высокой интенсивности