高Z原子与原子间长程相互作用的相对论理论研究

Recently，the research focus of ultracold physics has now gradually turned to ultracold molecules. The applications of ultracold molecular spectroscopy has made significant progress in quantum computation, basic physical constants measurement and physical chemistry aspects, and it has become an important research topic. The long-range interaction coefficients between atoms is an important parameter to determine the potential energy curves of ultra cold molecules, and long-range interaction plays an important role in the low energy, and low temperature impact. In experiment, many long-range interaction coefficients between high Z atoms in the ground state and the excited states are obtained by the laser cooling, trapping technology and photoassociation spectrum method..In the present project, based on the multi-configuration Dirac-Fock (MCDF) method and relativistic Configuration Interactions with a semi-empirical Core Potential (RCICP) approach, a full relativistic method and program of the calculation for long-range interaction coefficients for the heavy atom-atom will be developed. In this method the spin-orbital interaction will be considered. And long-range interaction coefficients between the ground states and excited states for heavy heteronuclear or homonuclear alkali-metal and alkaline-earth-metal, such as Rb, Sr, Cs, Ba, Yb, will be studied in detail.

近年来，超冷分子光谱已经在量子计算、基本物理常数的测量和物理化学等方面的应用取得了重大进展，其潜在的应用前景成为当今一个重要的研究课题。原子间长程相互作用系数是确定超冷分子势能曲线的重要参数，而且长程相互作用在低能、低温碰撞中起这重要作用。实验上，利用激光冷却和囚禁技术以及光缔合光谱方法得到了大量高Z原子基态以及激发态之间的长程相互作用系数，但是理论数据还远远不足。.本项目拟基于相对论多组态Dirac-Fock（MCDF）方法和全相对论组态相互作用模型势（RCICP）方法，考虑自旋-轨道相互作用，发展一套原子与原子基态以及激发态之间的长程相互作用系数的全相对论方法和程序，同时，研究高Z的碱金属、碱土金属、Yb等原子基态以及激发态之间的长程相互作用系数，为相关的实验研究提供高精度的理论数据。

在项目的资助下，项目组将相对论多组态Dirac-Fock(MCDF)方法及其Grasp2018程序包以及相对论组态相互作用加模型势(RCICP)方法结合,详细考虑自旋-轨道耦合，开发了一套计算碱金属与碱金属、碱金属与稀有气体原子之间长程相互作用系数的程序，并完成了处于基态ns及低激发态（npj , (n + 1)s, ndj）的碱金属原子（Li，Na，K，Rb，Cs）之间与处于基态1S0的稀有气体原子（Ne，Ar，Kr，Xe）之间的长程色散系数C6，C8，C10。考虑相对论效应（包含自旋-轨道耦合）后对碱金属-稀有气体之间相互作用的影响做了深入的分析。结果表明,在非相对论情况下，碱金属原子（npj）和稀有气体（1S0）原子会耦合形成总磁量子数M=0，1的Σ态和Π态两个态。而在相对论情况下，当碱金属原子（npj）和稀有气体（1S0）原子进行JJ耦合时，包含Spin-Orbital相互作用，此时会出现三种耦合情况，分别是np1/2，Ω=1/2、np3/2，Ω=3/2及Ω=1/2的态。非相对论情况下的结果与相对论效应情况下的结果进行比较之后发现，相对论下总磁量子数最大的态（Ω=3/2）与非相对论下总磁量子数最大（M=1）的Π态的计算结果符合的非常好。其次还发现，如果对RCICP计算的Ω=1/2的两个态的结果求平均值，会发现它与非相对论下的Σ态和Π态的结果的平均值非常接近。. 同时我们也完成了高精度Cs原子的能级、跃迁矩阵元以及6p1/2和6p3/2的寿命，利用振子强度求和公式得到基态及低激发态的静态和动态极化率，进一步考虑超精细分裂后计算了133Cs原子超精细能级、偶极标量和张量极化率，得到133Cs原子的超精细Stark shift，也得到了133Cs原子超精细能级的动态极化率。 完成了高精度Ba+离子的波函数、能级以及电偶极约化矩阵元等参数，利用这些参数进一步计算了Ba+离子6s1/2、6p1/2, 3/2和5d3/2, 5/2态的静态和动态极化率。完成了高精度Rb原子的能级、跃迁矩阵元以及5s1/2、5p1/2和5p3/2态的静态和动态极化率。完成了高精度Be原子的能级、电偶极跃迁矩阵元、2s2p3P0和2s21S0态的静态电偶极极化率以及黑体辐射频移等物理参数。