Новости науки 01.05.01. Избыток ридберговских атомов в расширяющейся ультрахолодной плазме.

Плазма может казаться многим довольно экзотической вещью, однако большая часть вещества во Вселенной находится именно в таком состоянии. Хотя бы поэтому исследование свойств плазмы в различных условиях представляет несомненный интерес. Недавно полученные экспериментальные данные говорят, что стандартная модель не в состоянии корректно описать процессы рекомбинации электронов и ионов в ультрахолодной расширяющейся плазме.

Для плазмы с температурой более 1000 К основными каналами рекомбинации являются излучательная (захват электрона с испусканием фотона), диэлектронная (захват электрона, сопровождающийся переходом одного из связанных электронов в возбужденное состояние) и трехчастичная рекомбинация (захват электрона с передачей энергии третьей частице - свободному электрону). Два первых процесса играют основную роль при плотностях менее 10¹⁴ см^-3 и высоких температурах. Последний процесс доминирует при высоких плотностях, при этом на промежуточном этапе образуются так называемые ридберговские атомы. Ридберговскими называются атомы, находящиеся в возбужденном состоянии с большим значением главного квантового числа (n равно нескольким десяткам или сотням). Ридберговские состояния характеризуются достаточно большими временами жизни. При температурах порядка одного Кельвина ситуация существенно меняется. Теория предсказывает для скорости трехчастичной рекомбинации сильную температурную зависимость - T^-9/2. При низких температурах быстрая трехчастичная рекомбинация доминирует над другими типами рекомбинации даже при плотностях 10¹⁰ см^-3 и ниже.

Ученые из американского Национального института стандартов провели исследование поведения ультрахолодной нейтральной плазмы [1]. Плазма получалась путем фотоионизации охлажденных до температуры 10 микрокельвинов метастабильных атомов ксенона. В процессе расширения плазмы контролировалось количество образовавшихся ридберговских атомов. Было установлено, что (через некоторое время после образования плазмы) число ридберговских атомов начинает увеличиваться с уменьшением плотности плазмы. Для объяснения увеличения выхода ридберговских атомов в рамках стандартной модели необходимо было бы предположить, что при расширении плазмы происходит ее охлаждение до температур менее 1 милликельвина (однако в таком случае возникают другие вопросы). Также скорость расширения плазмы превышает ту, что следовало бы ожидать в рамках обычной модели.

Авторы предполагают, что наблюдаемые расхождения с теорией могут быть связаны с тем, что простая модель трехчастичной рекомбинации плохо работает для ультрахолодной плазмы. В обычной высокотемпературной плазме отношение потенциальной энергии взаимодействия к тепловой энергии электронов мало, однако при низких температурах ситуация меняется. Когда отношение энергии кулоновского взаимодействия к тепловой энергии становится близким к единице, возможно возникновение многочастичных корреляций в системе ионов и электронов (образование "жидкости" вместо газа). Иследователи полагают, что именно возникающие корреляции ответственны за наблюдающееся в процессе расширения плазмы увеличение числа ридберговских атомов.

1. T.C.Killian, M.J.Lim, S.Kulin et al. Phys.Rev.Lett. v.86, 3759 (2001).

перейти к началу страницы