Теоретическое исследование процессов возбуждения, нелинейной ионизации и генерации высоких гармоник в атомах и двухатомных молекулах под действием сильных лазерных полей: 2021 г. этап 2

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание для неспециалистов

В последнее время наблюдается серьезный прогресс в области техники эксперимента, изучающего взаимодействие сильного электромагнитного излучения с атомно-молекулярными системами. С одной стороны, становятся доступны источники излучения оптического и инфракрасного диапазонов с длительностью импульсов порядка фемтосекунды и пиковой интенсивностью в фокусе, превышающей 10^20 Вт/см^2. С другой стороны, уже действуют и строятся новые лазеры на свободных электронах, способные генерировать излучение в рентгеновском диапазоне с чрезвычайно высокой яркостью. При взаимодействии с излучением таких источников динамика атомно-молекулярных систем является заведомо непертурбативной и может оказаться существенно релятивистской, что представляет собой сложную задачу для теоретического описания и расчета. Целью данного проекта является теоретическое исследование процессов ионизации, возбуждения электронных состояний и генерации гармоник в атомах, ионах, двухатомных молекулах и квазимолекулах, которые сами по себе могут быть как релятивистскими, так и нерелятивистскими. Предполагается проведение вычислений вероятностей ионизации, а также энергетических и угловых распределений электронов, вероятностей возбуждения и спектров гармоник. Такие теоретические исследования являются весьма актуальными в свете идущих в настоящее время и планируемых экспериментов (например, эксперименты по генерации гармоник в бихроматических лазерных полях, проводимые в Объединенном институте лабораторной астрофизики (Колорадо, США), и проект HILITE по исследованию взаимодействия многозарядных ионов с сильным коротковолновым излучением в Центре по изучению тяжелых ионов (Дармштадт, Германия)). Поставленные задачи будут решаться путем численного интегрирования нестационарных уравнений Шредингера и Дирака для одноэлектронных систем и с помощью нестационарной теории функционала плотности для многоэлектронных систем. У коллектива имеется необходимый опыт и научный задел для проведения таких расчетов. Планируемые в проекте исследования находятся на переднем крае науки в области взаимодействия сильного излучения с веществом. В итоге ожидается получение значимых результатов, новизна которых обусловлена как использованием мишеней, становящихся доступными в последние годы (многозарядные ионы и квазимолекулы), так и новых источников и форм электромагнитного излучения (лазеры на свободных электронах, сложные двухчастотные формы лазерных импульсов).
Успешное выполнение проекта позволит внести весомый вклад в развитие одной из самых интересных и востребованных областей современной атомно-молекулярной физики.

основные результаты по этапу (кратко)

В 2021 году по теме проекта получены следующие основные результаты: 1) Разработаны компьютерные программы и проведены расчеты генерации гармоник молекулярным ионом H2+ под действием двухчастотного (ω, 2ω) лазерного импульса, в котором циркулярно-поляризованные компоненты имеют противоположное направление вращения вектора поляризации. Длины волн компоненты с основной частотой и компоненты со второй гармоникой выбраны 800 нм и 400 нм соответственно. Обе компоненты поляризованы циркулярно в плоскости, перпендикулярной оси молекулы, но имеют противоположное направление вращения векторов поляризации. Анализ спектров гармоник при разных временах задержки между компонентами импульса показывает, что самый сильный сигнал во всех частях спектра наблюдается при полном перекрывании компонент, когда временная задержка между ними отсутствует. При появлении задержки энергия излученных гармоник уменьшается. Этот эффект зависит от соотношения интенсивностей компонент, величины задержки и области частот в спектре. Обнаружена асимметрия относительно знака задержки. При положительной задержке (компонента 400 нм начинается раньше, чем компонента 800 нм) уровень сигнала в низкочастотной области спектра и в области плато меньше, чем при отрицательной задержке (компонента 800 нм начинается раньше, чем компонента 400 нм) с той же самой абсолютной величиной. 2) Рассчитаны вероятности ионизации и спектры фотоэлектронов при ионизации атома водорода и водородоподобных ионов He+ и Ne9+ в сверхсильных электромагнитных полях. Нестационарное уравнение Дирака решалось с помощью обобщенного псевдоспектрального метода в сферических координатах. Предложено простое преобразование исходного радиального гамильтониана Дирака, устраняющее шпуриозные состояния. Вероятности ионизации вычисляются как в дипольном приближении, так и за его пределами для двух длительностей импульсов и различных пиковых значений напряженности поля, масштабируемых по заряду ядра для каждой мишени. Энергетические и угловые распределения фотоэлектронов демонстрируют пики надпороговой ионизации, а также низкоэнергетическую структуру. В режиме сверхсильного поля низкоэнергетическая структура нарастает с увеличением напряженности поля, а надпороговые пики ионизации уменьшаются. 3) Проведено теоретическое и численное исследование фотоионизации одноэлектронного молекулярного иона H2+ в исходном состоянии 1σu. Лазерный импульс линейно поляризован с несущей длиной волны в далеком ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах. Волновая функция электрона находится путем решения нестационарного уравнения Шредингера с помощью обобщенного псевдоспектрального метода. Проанализирована зависимость полной вероятности ионизации и спектров фотоэлектронов от ориентации оси молекулы. В интервале длин волн от 6 до 23 нм обнаружено аномальное поведение вероятности ионизации, где она увеличивается с увеличением угла между вектором поляризации внешнего поля и осью молекулы и достигает максимума при перпендикулярной ориентации молекулы. Явление объясняется как результат двухцентровой интерференции в волновой функции испускаемого электрона. 4) Проведено исследование процесса перезарядки (переход электрона с одного ядра на другое) в процессе столкновения протона с атомом водорода в присутствии поля лазера. Обнаружено, что включение даже слабого лазерного поля, не вызывающего заметных переходов между атомными уровнями, очень сильно меняет вероятность перезарядки. Это явление объясняется зарядовым резонансом между 1σu и 1σg состояниями в ионе H2+, при котором дипольный матричный элемент перехода между ними растет с ростом межъядерного расстояния, вызывая интенсивные переходы под действием даже слабого внешнего поля.

Полученные результаты нашли отражение в 2 публикациях.

описание вклада в работу каждого из участников (учётная форма ЦИТиС)

Д.А. Тельнов проводил расчеты вероятности ионизации и спектров фотоэлектронов водородоподобных ионов в сверхсильных электромагнитных полях, участвовал в исследовании генерации циркулярно-поляризованных гармоник ионом H2+ в поле двухчастотного лазерного импульса, состоящего из компонент с противоположным направлением вращения вектора поляризации, а также принимал участие в исследовании аномальной зависимости вероятности ионизации и угловых распределений электронов при фотоионизации H2+.
А.И. Бондарев, Р.В. Попов и А.М. Рыжков проводили работу по исследованию нелинейной ионизации релятивистских одноэлектронных квазимолекул в результате движения ядер, а также под действием импульсов сильного электромагнитного поля.
Д.А. Крапивин исследовал влияние электромагнитного поля на перезарядку при столкновении в нерелятивистской системе H-p.
Д.А. Тумаков проводил исследование релятивистских и недипольных эффектов в спектрах электронов, вылетевших в результате ионизации многоэлектронных ионов сильным лазерным полем.
В.С. Иванов проводил работу по исследованию электронных спектров надпороговой ионизации для нерелятивистских и релятивистских процессов.
Н.В. Князев исследовал генерацию циркулярно-поляризованных гармоник молекулярным ионом H2+ в поле двухчастотного циркулярно-поляризованного лазерного импульса, состоящего из компонент с противоположным направлением вращения вектора поляризации.

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

не разрешвется

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

разрешается
АкронимRFBR_a_2020 - 2
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания23/03/2128/12/21

Ключевые слова

  • нестационарная теория функционала плотности
  • нелинейная ионизация
  • генерация гармоник высокого порядка
  • атомы
  • двухатомные молекулы
  • релятивистские атомные и молекулярные ионы
  • сверхкороткие лазерные импульсы
  • квантовая механика

Fingerprint

Просмотреть темы исследований, затронутые в этом проекте. Эти метки созданы на базе основных наград/грантов. Вместе они формируют уникальную картину активности.