極端條件復(fù)雜動力學(xué)——Feshbach共振及強(qiáng)激光離子加速.pdf

1、激光技術(shù)的發(fā)展對于物理學(xué)的許多領(lǐng)域產(chǎn)生的巨大的影響。一方面激光冷卻技術(shù)使得研究并操控極低溫度下物質(zhì)體系成為可能。繼1995年玻色原子的凝聚實(shí)現(xiàn)以來，人們通過Feshbach共振技術(shù)，使得兩個原子形成弱束縛的玻色分子，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這種玻色分子的凝聚。對于費(fèi)米原子，這種技術(shù)可以用來研究超流的本質(zhì)以及BCS-BEC渡越物理機(jī)制;而對于玻色原子，這種技術(shù)可以研究兩種玻色凝聚體的關(guān)聯(lián)、轉(zhuǎn)化等問題。另一方面激光的功率越來越高，利用高功率激光加速帶電

2、粒子已經(jīng)是等離子體領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。激光打靶是離子加速的一種有效方法。
　　在零溫條件下，由于熵為零，大量粒子組成物理系統(tǒng)也會表現(xiàn)出有序的性質(zhì)。通過激光冷卻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)超低溫度。研究這種超低溫度的物理現(xiàn)象，對于驗(yàn)證物理定律、精確測量、微觀操控等領(lǐng)域都有重要意義。自1995年玻色-愛因斯坦凝聚實(shí)現(xiàn)以來，超冷物理系統(tǒng)的研究發(fā)展迅速。通過Feshbach共振，將兩個費(fèi)米原子形成弱束縛玻色分子，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了費(fèi)米原子的凝聚。同樣的技術(shù)也用于玻

3、色原子，實(shí)現(xiàn)了玻色原子組成的弱束縛玻色分子的凝聚。
　　由于塞曼效應(yīng)，不同自旋的原子在磁場當(dāng)中會具有不同的塞曼能級，而且塞曼能級的大小可以由磁場調(diào)節(jié)。因此不同自旋的原子的能級差，即原子之間的相互作用勢隨磁場改變。不同自旋組態(tài)的兩個原子之間的相互作用勢不同。所以存在一個臨界磁場，使得不同組態(tài)的相互作用勢相等，因此不同組態(tài)之間可以互相轉(zhuǎn)化。通過絕熱的線性調(diào)節(jié)磁場，可以使得所有原子成為一種自旋組態(tài)。散射理論可以證明，原子之間的相互作用勢

4、存在弱的束縛態(tài)，當(dāng)溫度很低的時候，兩個不同自旋的原子可以在這個束縛態(tài)上保持很長的時間。這種通過調(diào)節(jié)磁場使得兩種自旋的原子形成弱的束縛的雙原子分子的方法就是Feshbach共振技術(shù)。
　　對于這種多體量子系統(tǒng)，如果從量子力學(xué)出發(fā)，由于方程的個數(shù)與粒子數(shù)成正比，所以求解將是非常困難的。在超低溫度下，物理系統(tǒng)會表現(xiàn)出有序性質(zhì)，集體激發(fā)。此時平均場方法是很好的近似。利用平均場方法，可以得到簡單的解析結(jié)果，能夠揭示物理系統(tǒng)的某些深刻本質(zhì)。我

5、們正是采用這種平均場方法，分析物理系統(tǒng)的性質(zhì)，并與實(shí)驗(yàn)比較。
　　電磁相互作用能夠產(chǎn)生豐富的現(xiàn)象，有很廣泛的用處，而等離子體是理想的研究電磁相互作用的體系。人類對等離子體的實(shí)驗(yàn)開始于朗繆爾(IrvingLangmuir，1932年諾貝爾化學(xué)獎得主)對輝光放電時電離氣體現(xiàn)象的研究。從上個世紀(jì)50年代開始，因?yàn)閷Ω吣芰棵芏任镔|(zhì)系統(tǒng)的研究需要，人們對等離子體重視起來。在等離子體系統(tǒng)中，可以存在很強(qiáng)的電場、磁場、高速粒子流。這些性質(zhì)使得等

6、離子體在受控核聚變、高能粒子對撞、空間科學(xué)技術(shù)、甚至醫(yī)學(xué)上切除腫瘤等許多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。
　　通過激光與等離子體相互作用，可以產(chǎn)生高速的離子束。激光打靶加速離子可以有幾種方式:靶前的后向加速、靶前的前向加速、靶后的前向加速。其中離子在靶后的前向加速是近些年來激光打靶加速的熱點(diǎn)領(lǐng)域。經(jīng)過多年的研究，在離子加速方面已經(jīng)建立了基本的模型和理論。為了更有效的提高離子加速的能量和粒子數(shù)，當(dāng)前的研究主要兩個方向發(fā)展，一個是超強(qiáng)激光、超薄靶

7、，利用輻射壓把離子加速到很高的能量。另一個方向是改變靶的形狀，比如使靶成為凹形，使得激光的能量集中到”焦點(diǎn)”上。
　　激光打靶加速靶后離子的過程可以用流體力學(xué)方式來研究。當(dāng)激光打到等離子體靶上后，靶前與激光接觸的那部分的電子會在激光的電場和磁場作用下向前運(yùn)動，這種加速可以歸結(jié)為有質(zhì)動力加速。這些高速電子束在穿過靶的過程中，通過碰撞等相互作用，能夠加熱等離子體靶的電子，最終使得電子具有很高的溫度，而且在靶后產(chǎn)生靜電分離的電子。這些電

8、子的密度由泊松方程決定。然后等離子體靶后的離子在靜電分離場作用下開始向前膨脹。
　　離子受到的靜電分離場產(chǎn)生的力垂直與靶的表面，這類似于流體力學(xué)中的流體壓強(qiáng)產(chǎn)生的壓力。在流體力學(xué)中，如果流體表面的形狀被設(shè)計(jì)成凹形，那么由于壓力的作用，就會產(chǎn)生瑞利-泰勒不穩(wěn)定性，并且發(fā)生射流現(xiàn)象。類似現(xiàn)象在靶后挖成凹形的等離子體中也會出現(xiàn)。這正是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。事實(shí)上，這種射流現(xiàn)象已經(jīng)在模擬上看到了。我們要做的是給出一個理論的描述，以更有效的通過