强激光场中高价负离子相对论稳定性理论研究

Through much controversal experimental and theoretical work, it has been established now that no doubly charged negative ions can be stabilized in gas phase in nature, which is quite different from the liquid or solid phases, where multiply-charged negative ions can be abuntly observed. This conclusion has been challenged if we put the negative ions in intense laser fields. Based upon the non-relativistic Kramers-Henneberger transformation together with the high-frequency requirement upon the laser fields, it can be shown that if the laser intensity is high enough, highly-charged negative ions can be stabilized, for example we can produce the doubly-charged negative hydrogen ions in the fields. Unfortunately, a direct expertimental verification of this effect is too tough to be carried out for the moment. But the experimental difficulties will not hinder us from exploring this issue more deeply in theory. As we know that if the laser intensity is so high that the electron speed approaches the light speed in vacuum, it is necessary to treat the whole stability issue in relativistic framework. As a result in advance, we have demonstrated numerically that the relativistic corrections to the Kramers-Henneberger transformation can lead to more bounded electrons in the negative ions, for example the triply-charged negative hydrogen ions can be stabilized. Hence, as a further work, in this project, we plan to focus upon developing a numercial method combining density matrix renormalization group technique to optimalize the orbits in Hartree-Fock self-consistent mean field theory to treat the stability problem in a relativistic framework. Moreover, the influence of this new relativistically stabilized ionic state upon electron elastic and inelastic scattering from atoms in intense laser fields will be investigated so as to pave the way for the future experimental tests. Finally, it should be expected that these newly found multiply-charged ionic bound states will play an an important role in many atomic processes in intense laser fields, such as high-harmonic generations, multi-photon ionizations, tunneling ionization and above-threshold ionizations etc.

大量的实验和理论工作表明，自然界中以气相稳定存在的负离子最多是负一价。这一结论对位于强激光场中的负离子不再成立，基于非相对论Kramers-Henneberger变换可以证明，在高频近似下，更高价态的负离子也能稳定存在，比如负二价氢离子。但随着激光场强度的提高，当电子在光场中的振荡速度接近光速时，我们的初步研究结果表明，相对论修正会导致更高价负离子束缚态的出现,比如负三价的氢离子。基于该结果，这一课题的主要目的将是进一步发展一套基于利用密度矩阵重整化群优化Hartree-Fock基的量子多体计算方法来详细探讨高价负离子在强激光场中的相对论稳定性问题，并研究其对强场中电子在原子上的弹性和非弹性散射的影响，从而为将来的实验验证提供理论基础。可以预见，这些新发现的相对论稳定的高价负离子态对考察原子在强场中的高次谐波辐射、多光子电离、阈上电离、遂穿电离等动力学行为的精细特征将有重要的应用价值。

对负离子稳定性问题的探讨，不但对基本物理，比如物质稳定性问题，具有重要的理论价值，还会对应用产生重大影响。在20世纪60、70年代，大量的实验和理论工作表明，自然界中以气相稳定存在的负离子最多是负一价。到了90年代，人们发现，原子在高频强激光场的作用下，电子的电离可以被有效抑制从而变得更加稳定。进一步的计算表明，这种强场条件下更加稳定的原子，可以束缚更多的电子，形成高价负离子态。这种稳定性，涉及到的物理非常复杂，因此强激光场中高价负离子的存在性至今仍旧没有得到实验上的直接验证。即使在理论研究上，大部分工作也只限于非相对论框架下在做。.我们这一项目的主要研究内容就是探讨高频强场中，在相对论框架下高价负离子的稳定性问题。概括起来说，在过去的四年中，我们主要研究了以下三个方面的内容。一是氢原子和负一价氢离子为例，探讨了他们在高频强场条件下的电离特性和相对论稳定性问题；二是研究在实验上如何探测高频强场下的高价负离子；三是对探索高价负离子的稳定性问题用到的理论计算方法，即密度矩阵重整化群方法的精度进行了研究。. 在对以上内容进行探讨的过程中，我们取得了如下的重要结果。.1）研究发现，由于相对论有效质量的引入，有效库仑势的分布范围并不像非相对论条件下随着激光场强度的增强单调变大，而是增加到一定值后不再变化。另外，通过比较偶极近似和非偶极近似下有效库仑势的分布，发现对高频强场，偶极近似不再适用。 .2）负一价氢离子的电离率比氢原子高， 并且不存在氢原子在较强激光场中的电离抑制现象．另外随着激光场强度的增大和激光频率的减小， 电子角分布与负一价氢离子在高频场直接卸载后电子角分布的差别也增大．这些结果为将来在实验上验证高频强场中高价负离子的存在性提供了很好的理论依据．.3） 如果高频强激光场中存在高价负离子，那自由电子在其形成的库仑势附近发生散射时，来自于自由电子的高次谐波辐射谱会发生显著的变化，比如谱线变宽，出现干涉峰等等。这些效应可以为未来相关的实验提供了坚实的理论基础。