原子物理前沿介绍.ppt
原子精密谱、强场中的原子原子精密谱、强场中的原子 乔豪学 武汉大学物理科学与技术学院 2013年6月现在的物理学处于什么样的时代？物理学最关心的问题？（两暗一黑三起源）物理学将来的突破口在哪里？（精密与极端）原子精密谱Part I精密谱的理论背景及研究现状精密谱的理论背景及研究现状问题：问题：对于少电子原子体系，如氦，锂等，如何把它们的物理能级 精确地计算出来？（考虑相对论效应，QED效应等）目前最有效的方法：目前最有效的方法：1）求解非相对论薛定谔方程，得到足够精确的 和 。2）用量子电动力学或量子场论的方法导出各级相对论修正算符和QED修正 算符。3）计算修正算符的期望值以及原子核的有限质量和有限尺寸带来的修正，最终得到物理能级。原子能级可以写为原子能级可以写为做精密谱物理的意义(考虑到理论计算和实验测量都能很高的精度)：1）验证QED理论（特别是束缚态QED），检验物理定律的自洽性。2）确定某些物理常数，如 ，2010年，Smicilas和Shiner1利用氦原子的23P0到23P2精细结构间的跃迁并结合Pachucki2等人的最新理论计算，定出精细结构常数为 其中，（64）是实验的不确定度，（4）理论计算的不确定度，（260）是没有计算的其他项带来的不确定度。3)验证原子核模型 锂原子的特性：含有三个电子，可以用来检验或验证量子力学关于多体问题的一些结论，比如三个角动量的耦合理论等。氦原子的特性：最简单的多体。1 M.Smiciklas and D.Shiner,Phys.Rev.Lett.105,123001(2010)2 K.Pachucki and Y.A.Yerokhin,Phys.Rev.Lett.104,070103(2010)“精密精密”一词的含义一词的含义计算误差（数学）：高阶项误差（物理）：要求：两种误差是可控的原子光谱实验值原子核参数与核物理模型无关 验证各种核物理模型理论与实验结合原子与原子核交叉ee3HeQED 理论和基本物理常数理论和基本物理常数理论表达式包含基本物理常数确定物理常数是精密谱物理的一部分QED的精密验证涉及到多学科:原子物理,核物理(hyperfine,Rnuc,nuclear pol.),高能物理,激光光谱,频标,量子场论,计算物理对简单体系的研究,如 H,He,将仍然是取之不尽的知识来源精密谱水平精密谱水平:衡量原子物理整体水平的指标衡量原子物理整体水平的指标氢分子离子H2+,D2+,HD+:Schillers小组用Be+交感冷mK，Physical Review Letters 98,173002(2007)验证相对论和量子电动力学，以及分子计算理论高精度定出质量比值，例如 me/mp 基本物理常数随时间的变化理论进展：相对论与辐射修正理论进展：相对论与辐射修正6,7Li+精密光谱2P态精细与超精细结构Natural linewidth 3.7MHzp 束缚态束缚态QED理论检验理论检验p 精细结构常数确定精细结构常数确定p 核电荷半径确定核电荷半径确定 p 2S-2P:可见光、自然线宽窄可见光、自然线宽窄p 23S1亚稳态寿命亚稳态寿命 50sLi+离子精密光谱：York大学离子束实验大学离子束实验:离子运动效应离子运动效应谱线线形不对称谱线线形不对称 谱线中心频率精确确定困难谱线中心频率精确确定困难 Li+离子精密光谱p 理论与实验在理论与实验在 MHz 到到亚亚 MHz 量级范围内符合量级范围内符合p 高阶高阶QED效应效应 需要精度提高需要精度提高2-3个量级个量级(kHz)摘自摘自 Wijngaarden and Noble,Lect.Notes Phys.745,111(2008);12 Riis&Drake,PRA 49,207(1994);17 Clarke and Vijngaarden,PRA 67,012506(2003);18 Kowalski et al,Hyp.Int.15/16,15(1983)Hylleraas坐标下关于氦原子的变分计算成果结论：氦原子薛定谔方程的精确求解工作做得非常好！Year Authors N Energyn1928Hylleraas6-2.9032441957Kinoshita 39-2.9037225 61962Schwartz189-2.90372437691986Freund et al.230-2.9037243770340131998Goldman8066-2.903724377034119594182002Drake et al.2358-2.903724377034119598305202002Korobov5200-2.9037243770341195983111587242006Schwartz24099-2.903724377034119598311159 24519440444669692530983844Hylleraas坐标下关于锂原子的变分计算成果YearAuthors N Energyn1963Burke13-7.477 9531968Larsson60-7.478 02551986King et al.352-7.478 05851991McKenzie and Drake1134-7.478 060 31281995Yan and Drake1589-7.478 060 32192008Yan et al.9557-7.478 060 323 892102009Puchalski and Pachucki13944-7.478 060 323 909 5112010Puchalski and Pachucki30632-7.478 060 323 910 09713结论：锂原子薛定谔方程的精确求解难度很大，进展缓慢！在实验上，实验结果对理论计算提出了进一步的要求在实验上，实验结果对理论计算提出了进一步的要求3 Z.C.Yan and G.W.F.Drake,Phys.Rev.A 66,042504(2002).4 K.C.Brog et al.,Phys.Rev.153,91(1967).5 W.Scherf et al.,Z.Phys.D:At.and Mol.Clusters 36,31(1996).6 G.A.Noble,Phys.Rev.A 74,012502(2006).7 H.Orth et al.,Z.Phys.A 273,221(1975)中性锂原子 2P 态的精细结构物理量实验值(MHz)所用实验技术理论计算值3(MHz)6Li 2P FS7Li 2P FS10052.76 0.2210051.62 0.2010052.964 0.05010053.24 0.2210053.184 0.05810053.4 0.210053.119 0.058LC4LAB5LABEO6LC4ODR7LAB5LABEO610050.846 0.01210051.214 0.0123.基本积分 在计算哈密顿矩阵元时，所有的积分都可以化为下面的形式 PRA 2011,2013Atoms in strong magnetic fieldsPart IIMotivationsDiscovery of huge magnetic fields in the vicinity of white dwarf stars(B=102105T)and neutron stars(B=107109T).(Kemp et al.1970;Angel 1978;Angel et al.1981;Trmper et al.1977;Trmper et al.1978)Rapidly time-variable magnetic fields with peak values up to 1011T in heavy-ion collision(Rafelski and Mller 1976)Exitons with small effective masses and large dielectric constants in semiconductors(R.J.Elliott and R.Louden,1960).General problems for atoms under conditions which can never be realized in terrestrial laboratory.Strength of magnetic fieldsWeak fields:fieldsCoulomb potentialTwo method to obtain strong fields.(1)very strong fields for low excited states;(2)weak fields for Rydberg states.太阳太阳10-4-10-3T实验室：实验室：45T白矮星白矮星102-105 T 中子星中子星107-109 T 当外场强度强到洛仑兹力足以与库仑力相比较甚至更高时，会当外场强度强到洛仑兹力足以与库仑力相比较甚至更高时，会对原子的电子结构产生根本的影响。研究体系在强场下的性质，对原子的电子结构产生根本的影响。研究体系在强场下的性质，成为理论研究中的一个较新领域成为理论研究中的一个较新领域。柱坐标下柱坐标下CI方法计算得到的磁场下方法计算得到的磁场下He原子的数据，证实了磁白矮星原子的数据，证实了磁白矮星 GD229 光谱中的吸收边来自于强磁光谱中的吸收边来自于强磁场下（约场下（约 50000 T）的）的He原子。原子。主要应用：主要应用：研究白矮星、中子星光谱研究白矮星、中子星光谱其它应用：其它应用：Tokmak核聚变，激光同位素分离，核聚变，激光同位素分离，红外和微波辐射的高灵敏探测等领域红外和微波辐射的高灵敏探测等领域也要用到原子外场效应的研究成果也要用到原子外场效应的研究成果。Developmental MethodsAngular wavefunctions are expanded by using B-spline type functions.(1999,PRA)Modified freezing full-core method(2000,PRA)Full core plus correlation method(2001,PRA)Linear-least-squares-fitting method(2001,PRA)Spetral method(2002,PRA)FCPC in cylindrical coordinate(2007,PRA)Gauss-Hylleraas(2008,2009,PRA)WorksSolve the problem of double-electron atomic systems in intermediate magnetic fields.(PRA,1999,2009,Qiao)About energies and wavefunctions of three-electron atomic system in strong magnetic fields,the most accurate result were given at that time our paper was published.(PRA,2000,2007,2008,2010,2012，Qiao)He E0=2.903715a.u.PRA2009,Wang and Qiao强激光场与原子的相互作用Part III强激光场中的重要现象多光子跃迁与多光子电离高次谐波的产生隧道电离与阈上电离电离抑制 n个=n强激光场研究概况1950年，Hughes and Grabner:首次观察到射频范围内的多光子跃迁。1961年，Kaiser and Garret:首次观察到晶体中的多光子吸收。1979年，Agostini:研究惰性气体的自由-自由跃迁。目前，高次谐波，隧道电离以及电离抑制等现象都已经从实验上观察到了。主要的理论方法微扰法：只适用于不太强的激光场解析或半解析的方法：可得到定性结论，难得到精确定量结果。比如：1965年提出的短程库仑势模型，Volkov矢展开等。直接数值求解法：能得到定量上比较精确的结果，但实现起来有一定的困难，并难以处理较复杂的体系。主要的直接数值求解法Floquet方法劈裂算符法有限差分法Close-coupling方法最小二乘法伪谱拟合法(我们的工作)(PRA,2002,2010)High order harmonicControl of HHGUniform magnetic field,uniform electric field,Another laser pulse通通道道干干涉涉导导致致谐谐波波坍坍塌塌PRA 2007 Cai And Qiao不不同同的的通通道道原子物理学的应用：原子物理学的应用：1 1、原子钟、原子钟2 2、X X射线分析谱仪射线分析谱仪3 3、核磁共振、核磁共振4 4、各种光谱仪、各种光谱仪5 5、X X射线激光射线激光 谢谢大家
