Эффекты квантовой электродинамики в сильных полях: от нелинейности вакуума в экстремальных световых полях до химических свойств сверхтяжелых элементов

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание для неспециалистов

Одним из основных перспективных сценариев по обнаружению спонтанного распада вакуума является рождение электрон-позитронных пар в низкоэнергетических столкновениях тяжёлых ионов. Исследованы вероятности рождения пар и энергетические спектры позитронов в зависимости от расстояния наименьшего сближения ядер и от энергии столкновения. Показано, что определённые характеристики этих величин, доступные для изучения на эксперименте, свидетельствуют о возникновении спонтанного механизма.

Воздействие лазерного импульса в поле тяжёлого ядра также может привести к спонтанному распаду вакуума. В рамках проекта разработан и реализован программно метод расчета вероятностей рождения электрон-позитронных пар комбинацией кулоновского поля и поля сильного короткого лазерного импульса. С использованием этого метода вычислены вероятности рождения пар с захватом электрона в основное состояние кулоновского центра в зависимости от интенсивности внешнего поля.

В рамках исследования процесса вакуумного двулучепреломления в сильных полях нами было проведено сравнение результатов точных расчетов с предсказаниями, полученными с помощью приближения локально постоянного поля, в случае распространения фотона в поле плоской монохроматической волны. Были вычислены погрешности приближенного метода в зависимости от частоты пробного фотона и частоты внешнего поля.

Метод наложения конфигураций в базисе орбиталей Дирака-Фока-Штурма модифицирован с целью учета остовных возбуждений в рамках теории возмущений. Выполнены релятивистские расчеты химических характеристик сверхтяжелых элементов: оганесона (Z=118), эка-франция (Z=119), эка-радия (Z=120), а также их более легких гомологов. Проведено сравнение с соответствующими величинами, вычисленными в нерелятивистском приближении, а также с доступными экспериментальными данными.

Разработаны высокоэффективные методы расчета энергий бериллиеподобных ионов в рамках теории возмущений для квазивырожденных уровней. Выявлена сильная взаимосвязь между КЭД и корреляционными вкладами. Для ряда бериллиеподобных ионов выполнены прецизионные расчеты энергий связи и энергий возбуждения. Получены наиболее точные на сегодняшний день теоретические предсказания, которые находятся в прекрасном согласии с последними экспериментальными данными. Вместе с тем, обнаружено некоторое противоречие с результатами предыдущих измерений.

основные результаты по этапу (кратко)

Детально исследован сценарий для обнаружения спонтанного распада вакуума в сверхкритических столкновениях тяжёлых ионов. В частности, мы обнаружили, что поведение частной производной вероятности рождения пар по параметру eta изменяется с роста на убывание после пересечения границы критической области параметров столкновения и становится отрицательной при достаточно глубоком погружении в эту область. Здесь eta=E/E_0, E – энергия столкновения, E_0 – энергия лобового столкновения с таким же расстоянием R_min наименьшего сближения ионов. Спектры позитронов также претерпевают качественные изменения в критической области. Эти изменения свидетельствуют о включении спонтанного механизма рождения пар. Результаты этой работы опубликованы в статье [Popov et al., Phys. Rev. D 102, 076005 (2020)].

Разработан и реализован численный алгоритм для описания процесса рождения пар комбинацией кулоновского и лазерного полей. В рамках этого метода рассматриваемый процесс описывается временным уравнением Дирака для позитрона. Эффективно реализована схема численного решения этого уравнения в координатном пространстве с использованием псевдоспектральной дискретизации для волновой функции в сферических координатах и развития ее во времени с помощью схем Кранка-Николсон и сплит-оператора. В рамках псевдоспектрального метода был предложен простой и эффективный способ удаления нефизических шпуриозных собственных состояний, которые возникают при решении стационарного уравнения Дирака с помощью разложений по базисным наборам и способны негативным образом повлиять на решение нестационарного уравнения Дирака [Telnov and Chu, Phys. Rev. A 102, 063109 (2020)].

Помимо того, что для исследования вакуумного двулучепреломления были разработаны эффективные численные методы в случае простейших конфигураций внешнего поля, был также получен ряд важных физических результатов. В частности, было показано, что если внешнее поле является плоской монохроматической волной, то амплитуда перехода фотона в состояние с заданной поляризацией в старшем порядке по постоянной тонкой структуры и по амплитуде внешнего поля выражается через функцию, в которую частота фотона и частота внешнего поля входят симметричным образом. Следствием этого факта является то, что для усиления эффекта имеет смысл увеличивать как одну, так и другую частоту. Более того, при сравнении точных результатов, полученных в рамках нашего подхода, с данными приближения локально постоянного поля (LCFA) было установлено, что относительная погрешность LCFA одинаковым образом зависит от частоты пробного фотона и частоты внешнего поля. Таким образом, целый ряд экспериментальных сценариев не может исследоваться в рамках LCFA, поскольку применимость данного приближения зависит от энергии пробного кванта, которая может существенно превышать уровень в 1 МэВ. Статья с полученными на данный момент результатами представлена к опубликованию в журнале Оптика и Спектроскопия [И. А. Александров и В. М. Шабаев, Вакуумное двулучепреломление в поле плоской электромагнитной волны].

Выполнен систематический анализ релятивистских, корреляционных и квантовоэлектродинамических эффектов для потенциалов ионизации и сродства к электрону в таких сверхтяжелых элементах, как эка-франций (Z=119) и эка-радий (Z=120), а также в их более легких гомологах. Исследованы соответствующие вклады в значения среднеквадратичных радиусов и среднеквадратичных отклонений для валентных оболочек. Результаты получены в рамках применения специальным образом модифицированных релятивистских методов расчета электронной структуры, основанных на решении уравнения Дирака-Кулона-Брейта в базисе орбиталей Дирака-Фока-Штурма. Полученные данные представляют интерес не только для определения различных химических свойств щелочных и щелочноземельных металлов, но и в свете активно обсуждающегося в литературе вопроса о распространении периодического закона в область сверхтяжелых элементов. В частности, сделан вывод о том, что эка-франций и эка-радий действительно должны быть отнесены к первой и второй группам элементов таблицы Менделеева соответственно. Все полученные результаты для эка-франция и его гомологов представлены в статье, принятой к печати в журнале Оптика и Спектроскопия [Тупицын и др., Релятивистские расчеты химических свойств сверхтяжелого элемента с Z=119 и его гомологов, arXiv:2103.15886]. Результаты для эка-радия и его гомологов готовятся к публикации.

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

Шабаев Владимир Моисеевич, профессор - общее руководство, работа по всем задачам проекта.
Александров Иван Александрович, ассистент - разработка численных процедур для расчета амплитуд, связанных с изменением поляризации фотона в сильном электромагнитном поле.
Глазов Дмитрий Алексеевич, доцент - расчеты электронной структуры оганесона (Z=118) и СТЭ с небольшим числом валентных электронов.
Малышев Алексей Владимирович, доцент - расчеты электронной структуры оганесона (Z=118) и СТЭ с небольшим числом валентных электронов.
Попов Роман Владимирович, инженер-исследователь - разработка алгоритмов для вычисления вероятностей рождения позитронов и их распределений по энергиям в результате пробоя вакуума под действием кулоновского поля ядра и сверхсильного лазерного поля.
Тельнов Дмитрий Александрович, профессор - разработка алгоритмов для вычисления вероятностей рождения позитронов и их распределений по энергиям в результате пробоя вакуума под действием кулоновского поля ядра и сверхсильного лазерного поля.
Тумаков Дмитрий Андреевич, инженер-исследователь - разработка алгоритмов для вычисления вероятностей рождения позитронов и их распределений по энергиям в результате пробоя вакуума под действием кулоновского поля ядра и сверхсильного лазерного поля.
Тупицын Илья Игоревич, профессор - разработка алгоритмов и компьютерного кода для учета однократных и двукратных возбуждений из остова в пространство активных орбиталей и из пространства активных орбиталей в пространство виртуальных орбиталей.

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

не разрешается

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

не разрешается
АкронимRFBR_ROSATOM_2020 - 1
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания2/06/2025/03/21

Ключевые слова

  • квантовая электродинамика
  • сильные поля
  • рождение электрон-позитронных пар
  • вакуумное двулучепреломление
  • сверхтяжелые элементы
  • потенциал ионизации
  • сродство к электрону

Fingerprint

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