Автореферат (1149659)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиЕфимов Дмитрий КирилловичПРОЦЕССЫ ИОНИЗАЦИИ В ХОЛОДНЫХСРЕДАХ РИДБЕРГОВСКИХ АТОМОВСпециальность 01.04.05 — ОптикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург — 2016Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Университете.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорБезуглов Николай НиколаевичОфициальные оппоненты: Голубков Максим Геннадиевич,доктор физико-математических наук,Институт химической физики им.
Н.Н. СеменоваРоссийской академии наук (ИХФ РАН),ведущий научный сотрудникБетеров Илья Игоревич,кандидат физико-математических наук,Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН,старший научный сотрудникВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главная (Пулковская) астрономическаяобсерватория Российской академии наукЗащита состоится 26 мая 2016 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.232.45 на базе Санкт-Петербургского Государственного университета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул.
1, малыйконференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М. Горького СПбГУпоадресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.Диссертация и автореферат размещены на сайте www.spbu.ruАвтореферат разослан «»Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.232.45, доктор физикоматематических наук2016 года.Сухомлинов В. С.Общая характеристика работыНастоящая работа посвящена исследованию процессов ионизации в холодных Ридберговских газах — одного из важных классов явлений, определяющих эволюцию атомных сред в магнито-оптических ловушках.Холодные Ридберговские газы в последние два десятилетия являются актуальным объектом исследований в физической литературе. В первую очередьэто связано со стремительным развитием экспериментальной техники, позволяющей охлаждать нейтральные газы до сверхнизких (порядка нК) температур иэффективно когерентным образом возбуждать атомные частицы.
С другой стороны, прикладные проблемы квантовой информатики требуют для своего решениястабильные и легко управляемые квантовые объекты. На сегодняшний день кчислу достижений в исследовании холодных газов можно отнести получениеоптических решеток, Бозе-Эйнштейновских и фермионных конденсатов, создание технологий лазерного манипулирования отдельными атомами и фотонами.Одной из главных причин привлекательности исследований в областихолодных газов является наличие перспективы реализации элементарных квантовых логических элементов — квантовых битов, или кубитов — на основе нейтральных атомов [1]. Физически, кубитами могут быть любые квантовые объекты, которые могут находиться в перепутанном состоянии с подобными себе и быть проинтерпретированы как двух-уровневые системы.
Для того, чтобыатомы можно было использовать в качестве кубитов, необходимо контролировать их индивидуально: нейтральные атомы должны быть максимально охлаждены и пространственно локализованы, т.е. пленены. Пространственная локализация может быть получена в магнито-оптической ловушке (англ. MagnetoOptical Trap, MOT) за счет воздействия на частицы сил светового давления,эффективного потенциала оптической дипольной ловушки, а также магнитного поля магнитной ловушки. Современные лабораторные установки позволяютохладить атомы до температуры порядка 10 K.К важным преимуществам удерживаемых атомов относится возможностьформирования пространственных структур типа «оптическая решетка» (англ.Optical lattices) [2].
Скрещенные лазерные пучки создают стоячую волну, пространственно модулируя напряженность светового электрического поля. В возникших оптических потенциальных ямах могут захватываться охлажденные атомы. В экспериментах несложно менять глубину потенциальной ямы, а также период решетки. Важно заметить, что в оптических решетках могут формироваться изоляторы Мотта - структуры, в которых в одной потенциальной яме содержится один атом. Это, в частности, позволяет создавать квази-кристаллическуюрешетку и исследовать взаимодействия атомов, находящихся в ее узлах. По-3скольку наименьшее расстояние между подобными атомами составляет величину порядка длины волны лазерного излучения, то для существенного перепутывания состояний необходимо наличие дальнодействующей связи между атомами. В качестве таковой выступают Ван-дер-Ваальсовы или диполь-дипольныесилы, характерные для высоковозбужденных состояний.
Межчастичное взаимодействие для Ридберговских атомов весьма интенсивно. Это объясняет повышенный интерес к изучению холодных Ридберговских газов, наметившийся внаучной литературе в последнее десятилетие.Отметим, что в экспериментах с индивидуальными атомами оказываетсяважным контролировать число возбужденных атомов, обеспечивая их необходимое количество без избыточной концентрации. Задача по ограничению плотности Ридберговских состояний в заданном объ еме часто осуществляется наоснове явления блокады возбуждения [3]. Эффект блокады возникает за счетсдвига атомных частот переходов между Ридберговскими состояниями нескольких атомов в результате сильного дальнодействующего взаимодействия междуними. Один атом, переведенный в Ридберговское состояние лазерным светомчастоты , возмущает энергетические уровни атомов в своей окрестности, делая невозможным их дальнейшее возбуждение на лазерной частоте .
Описанное явление обычно ассоциируется с дипольной блокадой без детализации типадальнодействующего взаимодействия, которое может быть диполь-дипольным(∼ 1/3 , есть расстояние между атомами) или его нерезонансным аналогом,Ван-дер-Ваальсовым (∼ 1/6 ).Практическая реализация имеющихся в холодных Ридберговских газахпотенциальных возможностей для задач квантовой информатики сталкивается, однако, с рядом принципиальных ограничений, обусловленных проблемамиустойчивости как к девозбуждению, так и к ионизации.
Последний процесс особо важен в связи с его пороговым характером: при возникновении критическогоколичества ионов в газе может начаться процесс лавинообразной ионизации,приводящий к формированию холодной плазмы [4]. Даже медленные ионизационные процессы стимулируют образование холодных ионов. В какой-то моментих макроскопический пространственный заряд связывают вновь образующиесяэлектроны. Соответствующее критическое число электронов дается соотношением 2 /40 в образце газа размером . Пространственно связанные электроны сталкиваются с Ридберговскими атомами и ионизуют их, что вызываетпомимо прочего высвобождение дополнительного электрона с энергией порядкадвух значений первоначальной энергии связи валентного электрона в Ридберговском атоме.
Это приводит к лавинообразным неупругим столкновительным процессам, которые перераспределяют заселенности по главным квантовым числам. В конечном итоге заметная часть Ридберговских атомов оказывается ионизо-4ванной. Для практических приложений необходимо, чтобы холодный Ридберговский газ оставался стабильным на временах порядка нескольких микросекунд.Однако, он может спонтанно ионизоваться и, при достаточно высоких плотностях, эволюционировать в ультрахолодную плазму в течении 100 нс [5]. В связи свышеизложенным, изучение ионизационной устойчивости Ридберговских газовявляется актуальной задачей.Среди «медленных» столкновительных ионизационных процессов в холодных газах следует выделить Пеннинговскую и ассоциативную ионизацию какнаиболее интенсивные [6,7].
Пеннинговский процесс заключается во взаимодействии двух Ридберговских атомов, в результате которого один атом ионизуется, адругой девозбуждается с сохранением соответствующих энергий переходов. Ассоциативная ионизация происходит в результате столкновения Ридберговскогоатома с атомом в основном состоянии. Ридберговский электрон обобществляется квазимолекулярным комплексом (атом + ион), и, вступая во взаимодействиес ним, уходит в континуум. Энергия ионизации обеспечивается тепловым движением атомов.
Заметим, что конкурирующим процессом является ионизацияизлучением черного тела (англ. blackbody radiation), обусловленная тепловымфоном стенок экспериментальной установки [8]. Соответствующие типичныескорости ионизации атомов, являясь в основном функцией температуры, сравнительно легко вычисляются и характеризуются величинами порядка 102 − 103обратных секунд. Скорости столкновительной ионизации зависят от большогоколичества параметров возбужденного газа, включая пространственные степени свободы атомов, и трубуют для своего определения специального анализа.Целью настоящей работы является исследование физики процессов столкновительной ионизации атомов в холодных Ридберговских газах: Пеннинговской иассоциативной ионизаций.В соответствии с целью работы были решены следующие задачи:∙ Определены закономерности Пеннинговской ионизации при асимметричных столкновениях пары холодных Ридберговских атомов,∙ Выявлены оптимальные конфигурации Ридберговских пар, приводящих кмаксимальным скоростям Пеннинговской ионизации,∙ Выполнен сравнительный анализ скоростей Пеннинговской ионизации ифотоионизации излучением черного тела в холодных газах,∙ Проведена разработка и осуществлена кодовая реализация устойчивого численного алгоритма для нахождения орбиталей связанного электрона атомаводорода, мигрирующего в континуум энергий под действием внешнего переменного микроволнового поля,5∙ Описана эволюция углового момента Ридберговского электрона в условияхразвития режима динамического хаоса и диффузионной ионизации.Основные положения, выносимые на защиту:∙ Пеннинговская ионизация при асимметричных столкновениях атомов демонстрирует «контр-интуитивное» поведение, существенно превосходя поинтенсивности симметричные столкновения.∙ Скорость Пеннинговской ионизации возрастает на несколько порядков вовремя протекания диффузионной стадии эволюции холодного Ридберговского газа в холодную плазму.∙ Скорость Пеннинговской ионизации может превышать скорость ионизацииизлучением черного тела.∙ Численный алгоритм, сочетающий метод расщепленных эволюций и технику Флоке в применении к задаче эволюции электрона в атоме водородаво внешнем микроволновом поле, позволяет получать устойчивые решенияс ограниченной погрешностью на больших временах в условиях развитиярежима динамического хаоса.∙ Одномерная модель светоиндуцированной диффузионной ионизации трехмерного атома водорода является корректной.Научная новизна работы:∙ Впервые исследовалась Пеннинговская ионизация при асимметричныхстолкновениях Ридберговских атомов.∙ Впервые выявлено наличие оптимальной конфигурации Ридберговской пары, на несколько порядков увеличивающей скорость Пеннинговской ионизации.∙ Впервые разработан и апробирован численный алгоритм на основе симплектических методов интегрирования, позволяющий на больших временах моделировать стохастическую динамику Ридберговского электрона впеременных внешних полях.∙ Впервые проведен комплексный анализ эволюции момента количества движения Ридберговского электрона во внешних электрических полях.∙ Впервые показана универсальность одномерной модели диффузионнойионизации для описания эволюции трехмерного Ридберговского электрона атома водорода под воздействием внешнего микроволновом поля.6Научная и практическая значимость работы связана с выявлениемновых знаний о процессах, играющих существенную роль в эволюции холодного Ридберговского газа — актуального объекта современных исследований иперспективного кандидата для практической реализации физических носителейквантовой информатики, в частности, кубитов.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
