Fotojonizacja atomow w silnych polach promieniowania - opis z zastosowaniem dynamiki kwantowej

W ostatnich latach obserwuje sie zainteresowanie procesem fotojonizacji atomów w silnych polach promieniowania. Badania w tym kierunku motywowane są pojawiającymi się możliwościami eksperymentalnymi związanymi z rozwojem laserów dużej mocy. Tradycyjny opis fotojonizacji opiera się na kwantowo-mechanicznym opisie atomu i traktowaniu promieniowania elektromagnetycznego jako zaburzenie. Funkcję falową atomu w polu promieniowania rozwija się wówczas w bazie funkcji własnych niezaburzonego układu. W przypadku wzbudzeń do poziomów rydbergowskich czy też do poziomów na tle widma ciągłego podejście takie jest jednak nieefektywne ze względu na rozmiar bazy i ilość funkcji falowych jakie trzeba uwzględnić w rachunku zaburzeń. W rezultacie podejście perturbacyjne jest zasadne jedynie w przypadku niewielkiego natężenia promieniowania. W silnym polu promieniowania dodatkowo znacząca zaczyna być fotojonizacja do kontinuum oraz efekty wielofotonowe.

W rezultacie, do opisu procesu fotojonizacji w silnych polach promieniowania niezbędne jest zastosowanie zaawansowanych metod opisu. Szereg podejść można znaleźć w literaturze (praca przeglądowa Eberly 1991 oraz Eberly 1992), przy czym jedną z bardziej obiecujących jest tzw. dynamika kwantowa, metoda numeryczna oparta o zależne od czasu równanie Schrodingera. Rozwijane od szeregu lat efektywne algorytmy całkowania zależnego od czasu równania Schrodingera pozwalają na wyznaczenie ewolucji funkcji falowej, a tym samym dostarczają pełnej informacji o ewolucji badanego układu w czasie (Truond et.al 1992, Bała 1995a, Bała 1995b).

Badając układ w polu promieniowania można w ten sposób uzyskać pełną informację o procesie fotojonizacji, wraz z uwzględnieniem skali czasowej procesu.

Jednowymiarowy model atomu stosowany w obliczeniach powinien być realistyczny, a jednocześnie na tyle prosty by umożliwić efektywny opis. Standardowy potencjał kulombowski, poprzez osobliwość w zerze zastępowany jest często przez różne potencjały efektywne, których asymptotyczne zachowanie powinno być analogiczne. W ramach niniejszego projektu zostanie wykorzystany potencjał w postaci skończonej studni potencjału oraz potencjał modelowy V(x)=1/sqrt(1+x²), badany wcześniej przez innych autorów (Javanainen 1988, Eberly 1992). Dzięki takiemu podejściu możliwe jest zbadanie dokładności stosowanych metod w przypadku fotojonizacji atomu o skończonej liczbie dyskretnych atomów (bez stanów rydbergowskich), a następnie porównanie z układem zawierającym nieskończoną liczbę stanów dyskretnych.

Numeryczne całkowanie zależnego od czasu równania Schrodingera odbywać się będzie w oparciu o rozwijane wcześniej algorytmy. Zastosowane zostanie aproksymacja operatora ewolucji czasowej wielomianami Czebyszewa. Należy podkreślić, że oprogramowanie to, już dostępne w ICM i HPC, jest dostosowane do architektury równoległej, a także zaawansowane są prace nad jego paralelizacją.

Zasadniczym celem projektu, obok zastosowania dostępnego oprogramowania do badania procesów fotojonizacji w silnych polach promieniowania, jest zbadanie wpływu kształtu impulsu promieniowania na obsadzenie stanu podstawowego i widmo fotoelektronu w czasie jonizacji (różne kształty obwiedni impulsu, impuls z modulowaną fazą, podwójny impuls). Gładko włączony impuls może być źródłem tak zwanej stabilizacji dynamicznej, która jest ciekawym i nadal żywo dyskutowanym zjawiskiem w tej dziedzinie (Su et. al 1996).

Literatura:

  1. J.Eberly, J.Javanainen, and K.Rzazewski. Phys. Rep. 204:331, 1991.
  2. J.Eberly, R.Grobe, C.K. Law, and Q.Su. Numerical experiments in strong and super-strong fields.
  3. M.Gavrila, Atoms in string fields. Academic Press, San Diego, 1992.
  4. Truong, J.J. Tanner, P.Bala, J.A. McCammon, D.J. Kouri, B.Lesyng, and D.Hoffman. A comparative study of time dependent quantum mechanical wavepacketJ. Chem. Phys, 96:2077--2084, 1992.
  5. P.Bała, P.Grochowski, B.Lesyng, and J.A. McCammon. Quantum -- classical molecular dynamics and its computer% implementation. Computers & Chemistry, 19(3):155--160, 1995.
  6. P.Bala, P.Grochowski, B.Lesyng, and J.A. McCammon. Quantum--classical molecular dynamics. models and applications.[w:] M.Field, editor, Quantum Mechanical Simulations Methods for Studying Biological Systems, NATO ASI Series. 1995.
  7. J.Javanainen, J.H. Eberly, and Q.Su. Phys. Rev. A, 38:3430, 1988.
  8. Q.Su, B.P.Irving, C.W.Johnson, J.H.Eberly J.Phys.B. 5755, 29, 1996