原子物理前沿介紹課件

原子精密譜、強場中的原子

2013年6月現(xiàn)在的物理學處于什么樣的時代？物理學最關心的問題？（兩暗一黑三起源）物理學將來的突破口在哪里？（精密與極端）原子精密譜PartI做精密譜物理的意義(考慮到理論計算和實驗測量都能很高的精度)：1）驗證QED理論（特別是束縛態(tài)QED），檢驗物理定律的自洽性。2）確定某些物理常數(shù)，如，

2010年，Smicilas和Shiner[1]利用氦原子的23P0到23P2精細結構間的躍遷并結合Pachucki[2]等人的最新理論計算，定出精細結構常數(shù)為其中，（64）是實驗的不確定度，（4）理論計算的不確定度，（260）是沒有計算的其他項帶來的不確定度。3)驗證原子核模型

鋰原子的特性：含有三個電子，可以用來檢驗或驗證量子力學關于多體問題的一些結論，比如三個角動量的耦合理論等。氦原子的特性：最簡單的多體。[1]

M.SmiciklasandD.Shiner,Phys.Rev.Lett.105,123001(2010)[2]K.PachuckiandY.A.Yerokhin,Phys.Rev.Lett.104,070103(2010)“精密”一詞的含義計算誤差（數(shù)學）：

高階項誤差（物理）：要求：兩種誤差是可控的原子光譜實驗值原子核參數(shù)與核物理模型無關

驗證各種核物理模型理論與實驗結合原子與原子核交叉ee3He氫分子離子H2+,D2+,HD+:Schiller’s小組用Be+交感冷~mK，PhysicalReviewLetters98,173002(2007)驗證相對論和量子電動力學，以及分子計算理論高精度定出質(zhì)量比值，例如me/mp

基本物理常數(shù)隨時間的變化理論進展：相對論與輻射修正6,7Li+精密光譜—2P態(tài)精細與超精細結構Naturallinewidth3.7MHz

束縛態(tài)QED理論檢驗

精細結構常數(shù)確定

核電荷半徑確定

2S-2P:

可見光、自然線寬窄

23S1亞穩(wěn)態(tài)壽命~50sLi+離子精密光譜

理論與實驗在MHz

到亞MHz

量級范圍內(nèi)符合高階QED效應需要精度提高2-3個量級(kHz)摘自WijngaardenandNoble,Lect.NotesPhys.745,111(2008);[12]Riis&Drake,PRA49,207(1994);[17]ClarkeandVijngaarden,PRA67,012506(2003);[18]Kowalskietal,Hyp.Int.15/16,15(1983)Hylleraas坐標下關于氦原子的變分計算成果結論：氦原子薛定諤方程的精確求解工作做得非常好！YearAuthorsNEnergyn1928Hylleraas6-2.9032441957Kinoshita39-2.903722561962Schwartz189-2.90372437691986Freundetal.230-2.90131998Goldman8066-2.9119594182002Drakeetal.2358-2.9119598305202002Korobov5200-2.91195983111587242006Schwartz24099-2.9119598311159245194430983844Hylleraas坐標下關于鋰原子的變分計算成果YearAuthorsNEnergyn1963Burke13-7.4779531968Larsson60-7.47802551986Kingetal.352-7.47805851991McKenzieandDrake1134-7.47806031281995YanandDrake1589-7.47806032192008Yanetal.9557-7.478060323892102009PuchalskiandPachucki13944-7.4780603239095112010PuchalskiandPachucki30632-7.47806032391009713結論：鋰原子薛定諤方程的精確求解難度很大，進展緩慢！3.基本積分

在計算哈密頓矩陣元時，所有的積分都可以化為下面的形式

PRA2011,2013MotivationsDiscoveryofhugemagneticfieldsinthevicinityofwhitedwarfstars(B=102~105T)andneutronstars(B=107~109T).(Kempetal.1970;Angel1978;Angeletal.1981;Trümperetal.1977;Trümperetal.1978)Rapidlytime-variablemagneticfieldswithpeakvaluesupto1011Tinheavy-ioncollision(RafelskiandMüller1976)Exitonswithsmalleffectivemassesandlargedielectricconstantsinsemiconductors(R.J.ElliottandR.Louden,1960).Generalproblemsforatomsunderconditionswhichcanneverberealizedinterrestriallaboratory.StrengthofmagneticfieldsWeakfields:fields<<CoulombpotentialIntermediatefields:field~CoulombpotentialStrongfields:field>>CoulombpotentialTwomethodtoobtainstrongfields.(1)verystrongfieldsforlowexcitedstates;(2)weakfieldsforRydbergstates.白矮星102--105

T

中子星107--109

T

當外場強度強到洛侖茲力足以與庫侖力相比較甚至更高時，會對原子的電子結構產(chǎn)生根本的影響。研究體系在強場下的性質(zhì)，成為理論研究中的一個較新領域。柱坐標下CI方法計算得到的磁場下He原子的數(shù)據(jù)，證實了磁白矮星GD229光譜中的吸收邊來自于強磁場下（約50000T）的He原子。主要應用：

研究白矮星、中子星光譜其它應用：

Tokmak核聚變，激光同位素分離，

紅外和微波輻射的高靈敏探測等領域也要用到原子外場效應的研究成果。HeE0=2.903715a.u.PRA2009,WangandQiao強激光場與原子的相互作用PartIII強激光場中的重要現(xiàn)象多光子躍遷與多光子電離高次諧波的產(chǎn)生隧道電離與閾上電離電離抑制

n個?ω?ω’=n?ω強激光場研究概況1950年，HughesandGrabner:首次觀察到射頻范圍內(nèi)的多光子躍遷。1961年，KaiserandGarret:首次觀察到晶體中的多光子吸收。1979年，Agostini:研究惰性氣體的自由-自由躍遷。目前，高次諧波，隧道電離以及電離抑制等現(xiàn)象都已經(jīng)從實驗上觀察到了。主要的理論方法微擾法：只適用于不太強的激光場解析或半解析的方法：可得到定性結論，難得到精確定量結果。比如：1965年提出的短程庫侖勢模型，Volkov矢展開等。直接數(shù)值求解法：能得到定量上比較精確的結果，但實現(xiàn)起來有一定的困難，并難以處理較復雜的體系。主要的直接數(shù)值求解法Floquet方法劈裂算符法有限差分法Close-coupling方法最小二乘法偽譜擬合法(我們的工作)(PRA,2002,2010)Highorderharmon