Бекбаев АК

АННОТАЦИЯ
на диссертацию на соискание ученой степени доктора философии (PhD)
по специальности 6D060500 – Ядерная физика
Бекбаев Асхат Каусович
Спектроскопия молекулярного иона водорода
Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена
исследованию спектров молекулярных ионов водорода, H 2+ , HD+ , D2+ и HT + ,
в том числе с учетом сверхтонкой структуры и влияния, внешних полей.
Актуальность темы. Результаты работы имеют большое значение в
метрологии. Во-первых для уточнения фундаментальных физических
констант, в первую очередь для улучшения значения отношения массы
электрона к протону, m p / me . Сверхточные расчеты значений статической и
динамической поляризуемостей будут иметь огромное значение для
экспериментов по проверке вариации фундаментальных констант во времени
в лабораторных условиях. Недавно было предложено использовать
молекулярные ионы водорода H 2+ и HD+ для реализации сверхточных часов с
относительной стабильностью порядка 10-18 при комнатной температуре. Для
сравнения наилучшая точность, достигнутая в цезиевых часах (нынешний
стандарт времени), реализованных в Национальном институте стандартов и
технологии США в 2011 году: 2.3*10-16.
Целью диссертационной работы является разрешение квантовой
задачи трех тел с кулоновским взаимодействием. Получение теоретических
данных по вращательно-колебательной структуры спектра, в том числе с
учетом тонкой, сверхтонкой структуры, для изучения электромагнитных
свойств конечной структуры дейтрона и тритона. Большая часть
диссертационной работы посвящена теоретическому исследованию влияния
внешних электромагнитных полей на спектр молекулярного иона, учет
статической и динамической поляризуемости молекул H 2+ , HD+ и D2+ .
Существенной особенностью исследований является одновременный учет
сверхтонкого взаимодействия и поляризационных эффектов.
Объектом исследования являются молекулярные ионы изотопов
водорода; их спектр, включая тонкую и сверхтонкую структуру уровней;
изменения спектра под влиянием внешних электромагнитных полей.
Методы исследования: вариационные методы для решения
стационарного уравнения Шредингера; теория возмущения для вычисления
релятивистских поправок, сдвигов сверхтонкой структуры, сдвигов уровней
под влиянием внешних полей.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- Впервые для молекулярного иона водорода были выполнены
сверхточные расчеты значений статической и динамической поляризуемости,
которые имеют огромное значение для экспериментов по проверке вариации
фундаментальных констант в зависимости от времени в лабораторных
условиях, а так же для создания сверхточных молекулярных часов при
комнатной температуре.
- Впервые были получены сдвиги сверхтонкой структуры для HT + ,
которые могут быть использованы для определения электромагнитных формфакторов тритона.
Основные положения, выносимые на защиту
1) Построение вариационного разложения решений для молекулярного
иона водорода.
2) Определение ведущих релятивистских поправок, как для спин
независимых, так и для тонкого и сверхтонкого расщеплении энергетических
уровней.
3) Вычисление статической и динамической поляризуемости
молекулярных ионов водорода, для состояний с различными угловыми
моментами и возбужденными вибрационными состояниями с помощью
вариационных волновых функций «экспоненциального разложения».
4) Расчет влияние внешних полей излучения, в частности излучения
черного тела при комнатной температуре для вращательно-колебательных
состояний молекулярного иона водорода.
Связь данной работы с другими научно-исследовательскими
работами.
Исследования молекулярных ионов водорода проводиться в ряде
научных центров мира, как теоретически, так и экспериментально, одними из
ведущих лаборатории являются: Объединенный институт ядерных
исследований Лаборатория теоретической физики им.Н.Н.Боголюбова
(г.Дубна, Россия), Институт экспериментальной физики (г.Дюссельдорф,
Германия) и др.
Диссертационная работа основана на работах, выполненных автором в
рамках НИР:
1) «Исследование механизма образования малотельных квантовых
структур в открытых системах» программа фундаментальных исследований
МОН РК 1123/ГФ № госрегистрации 0109РК00868 (2009-2011 гг.).
2) «Исследование механизма формирование и свойств малотельных
кулоновских систем образованных в молекулярной среде с учетом
релятивистского характера взаимодействия» программа фундаментальных
исследований МОН РК 1123/ГФ № госрегистрации 0112РК01004 (2012-2014
гг.).
Апробация диссертационной работы.
Материалы диссертационной работы были доложены на следующих
международных и республиканских конференциях:
- III Междyнародный конгресс студентов и молодых ученых «Мир
Науки», посвященный 75-летию КазНУ им.аль-Фараби (Алматы, 2009);
- Международная конференция студентов и молодых ученых: «МИР
НАУКИ» (Алматы, 2010);
- Международная конференция студентов и молодых ученых: «МИР
НАУКИ» посвященная 20-летию независимости РК (Алматы, 2011);
- Международная конференция посвященная 75-летию академика НАН
РК Абдильдина М.М. «Актуальные проблемы физики» (Алматы, 2013);
- Международная конференция студентов и молодых ученых: «МИР
НАУКИ» (Алматы, 2013).
- I Международные Фарабиевские чтения Международная конференция
студентов и молодых ученых «Фараби əлемі» (Алматы, 2014)
- «International Conference on Exotic Atoms and Related Topics», Vienna,
2014.
Также неоднократно результаты исследований докладывались на
семинарах ЛТФ ОИЯИ, в университете Дюссельдорфа и на кафедре
теоретической и ядерной физики физико-технического факультета.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 17 печатных
работ (9 статей и 8 тезисов), из них 5 статей опубликованы в изданиях,
входящих в базу Thomson Reuters и Scopus, 3 в журналах входящих в
перечень, рекомендованных ККСОН МОН РК, 8 тезисов опубликованы в
материалах международных конференций, в том числе 1 - дальнего
зарубежья, 1 статья в журнале Казахстана.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка
литературы и приложения. Объем диссертации – 112 страниц, содержащие 8
рисунков, 15 таблиц, количество использованных источников - 121.
В первом разделе формулируется вариационный принцип для
связанных состояний, и предлагается вариационный метод, который
определяет вид базисных функций разложения решения, а также стратегию
выбора вариационных параметров при построении волновой функций. В
дальнейшем этот метод будет называться экспоненциальным разложением. В
этой главе проводится анализ основных подходов к построению
вариационного разложения решений для системы трех частиц, в том числе
для основного состояния трехтельной кулоновской системы и для состояний
с ненулевым орбитальным угловым моментом. Здесь же представлены
расчеты нерелятивистских уровней энергий различных физических систем,
выполненные с использованием экспоненциального вариационного
разложения. Сравнение с расчетами, полученными другими вариационными
методами, показывает значительное превосходство предлагаемого подхода.
Второй раздел посвящен, исследованию тонкого и сверхтонкого
расщепления энергетических уровней в молекулярных ионах водорода.
Данная структура возникает при рассмотрении ведущей релятивистской
поправки, гамильтониана Брейта-Паули, при рассмотрении взаимодействий,
которые зависят от спинов частиц. Это первый ab initio расчет основан на
точном вариационном решении уравнения Шредингера квантовой задачи
трех тел. В частности в данной главе проведены расчеты релятивистских
поправок ведущих порядков для молекулярных ионов водорода в ровибрационных состояниях, они включают в себя, расчеты сверхтонкой
структуры. Сверхтонкая структура может иметь большое значение для
изучения свойств, связанных с конечными размерами тритона, такими как,
дираковский и паулиевский форм-факторы тритона, радиус Земаха и другими.
Третий раздел посвящен, изучению статистической поляризуемости
молекулярных ионов H 2+ , HD+ и D2+ в частности рассчитан DC Штарк
эффект (при постоянном электрическом поле) в нерелятивистском
приближении. Наш расчет учитывает как зависимость от вращательноколебательных состояний, так и зависимость от сверхтонкого расщепления
уровней. Нами рассмотрены частные случаи, которые позволяют получать
явные аналитические решения, связанные с алгеброй углового момента.
Также рассчитаны для некоторых вращательно-колебательных
состояний функции динамической поляризуемости молекулярного иона,
необходимые для учета эффектов излучения черного тела и лазерных полей
на изменение наблюдаемого спектра. Результаты позволяют получить точные
расчеты вычислительную оценку систематических сдвигов, связанных с
этими эффектами. Что является абсолютно необходимым для повышения
точности измерений в ультрапрецизионной спектроскопии ионов в ионных
ловушках в оптической, микроволновой и радиочастотной областях.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в
диссертации.