ID539 - Planul NaŢional de Cercetare, Dezvoltare Şi Inovare (PN II)
Facultatea de FizicĂ, Universitatea BabeŞ-Bolyai, Cluj-Napoca

TRANZIŢII ELECTRONICE ÎN ATOMI ŞI MOLECULE ÎN INTERACŢIUNE CU PARTICULE ÎNCĂRCATE ŞI CÂMPURI LASER

Director: Prof. Dr. Nagy Ladislau

 

Descrierea Proiectului

Studiul interactiunilor dintre atomi sau molecule si particule incarcate sau campuri electromagnetice intense prezinta un interes practic deosebit pentru modelarea plasmei termonucleare, aplicatii astrofizice, investigatii medicale si altele. Pe de alta parte investigarea detaliata a mecanismelor tranzitiilor electronice in atomi si molecule duc la imbogatirea cunostintelor noastre despre proprietatile si dinamica sistemelor atomice in special si a sistemelor complexe in general.

Proiectul isi propune urmatoarele teme:

  1. Calcularea sectiunilor eficace de ionizare total difrentiale pentru atomi si molecule in ciocniri cu ioni rapizi. Aici se preconizeaza imbunatatirea modelului semiclasic elaborat de noi pentru o mai corecta descriere a imprastierii proiectilului.
  2. Studiul efectelor de interferenta in ionizarea moleculelor diatomice. Aceasta tema a fost intens studiata in ultimii ani atat din punct de vedere experimental cat si teoretic. Ne propunem in cadrul acestui proiect sa extindem studiile existente pentru molecula de hidrogen si la alte molecule de interes practic. Preconizam sa studiem teoretic efectele de interferenta de ordinul doi, observate experimental.
  3. Ionizarea atomilor si a moleculelor prin impulsuri laser foarte scurte. In contextul realizarii din ultimii ani a impulsurilor laser cu durata de ordinul attosecundelor a crescut foarte mult interesul asupra interactiunilor acestora cu atomi si molecule. Ne propunem studiul teoretic al procesului de ionizare prin rezolvarea directa, numerica a ecuatiei schrodinger temporale, putand trata cazuri pentru care aproximatiile perturbative nu mai sunt valabile. Vom studia efectele de interferenta a undelor electronice care apar la ionizarea moleculelor.
  4. Ionizarea moleculelor prin impact pozitronic. Studiul interactiunilor dintre pozitroni si materie sunt extrem de importante pentru aplicatii medicale. Preconizam sa studiem pe langa ionizarea directa si formarea de pozitroniu.

Obiectivele proiectului

1. In calcularea sectiunilor eficace de ionizare total diferentiale se are in vedere importanta descrierii cinematic complete a sistemului format din mai multe particule pentru a cunoaste in profunzime dinamica sistemelor corelate. Discrepanta existenta dintre datele experimentale si rezultatele teoretice impun o imbunatatire a modelelor teoretice existente. Efectuarea calculelor pentru tinte cu aplicatii practice, cum ar fi molecula de hidrogen este necesara.

  1. Imbunatatirea modelului semiclasic pentru sectiunea eficace de ionizare total diferentiala a atomului de heliu. Se are in vedere o analiza detaliata a relatiei dintre parametrul de impact si transferul de impuls in conditiile ejectarii electronului sub diferite unghiuri.
  2. Studiul cinematic complet al ionizarii cu excitare a atomului de heliu. Se are in vedere o tratare adecvata a corelatiei electronice, extrem de importanta in tranzitii dielectronice.
  3. Studiul cinematic complet al ionizarii moleculei de hidrogen. In cazul moleculelor dinamica particulelor se complica din cauza potentialului cu mai multe centre in care se misca electronii. Preconizam folosirea functilor de unda bicentrice pentru descrierea electronilor.

2. In studiul fenomenelor de interferenta in ionizarea moleculelor prin impact cu particule incarcate se completeaza lucrarile efectuate pana acum. Metodele dezvoltate pentru descrierea acestor fenomene se vor putea aplica si intr-un cadru mai general, pentru orice sistem cu caracter ondulatoriu.

  1. Studiul efectelor de interferenta in ionizarea moleculei de azot. Aceasta molecula a fost sudiata experimental, si se observa efecte mai complexe fata de molecula de hidrogen. Preconizam descrierea teoretica a ionizarii de pe fiecare orbital molecular in parte, suma carora se va compara cu datele experimentale.
  2. Imbunatatirea teoriei pentru descrierea efectelor de interferenta de ordinul doi. Se preconizeaza aplicatia teoriei perturbationale de ordinul doi, folosind functii de unda corecte atat pentru starea initiala (legata) cat si pentru starea finala (libera).

3. In studiul ionizarii atomilor si a moleculeor prin impulsuri laser foarte scurte vom contribui la intelegerea teoretica a experimentelor efectuate cu tehnica laser de varf in ultimii ani. Fiind in regim neperturbativ, pentru descrierea fenomenelor aparute trebuie folosita rezolvarea directa a ecuatiei Schrodinger.

  1. Studiul ionizarii atomului de hidrogen in campuri laser intense cu impulsuri ultrascurte. Se preconizeaza folosirea aproximatiei campurilor puternice si rezolvarea directa numerica a ecuatiei integrale obtinute din ecuatia Schrodinger.
  2. Studiul ionizarii atomilor alcalini prin impulsuri laser foarte scurte. Se va folosi aproximatia electronilor independenti, iar metodele aplicate vor fi asemanatoare cu cele de la atomul de hidrogen.
  3. Studiul efectelor de interferenta in ionizarea moleculelor diatomice prin impulsuri laser foarte scurte. Caracterul bicentric al moleculelor va da nastere unor maxime si minime in spectrul electronului ejectat. Acest fenomen de interferenta se se va compara cu cel observat si descris in cazul ionizarii cu particule incarcate.
  4. Studiul ionizarii atomilor si moleculelor prin impact cu particule incarcate in prezenta campului laser intens. Campul laser influenteaza puternic spectrul electronului ejectat, si vom studia in detaliu aceasta influenta. Metoda preconizata este dezvoltarea functiei de unda dupa baza functiilor Volkov, constructia ecuatiei integrale pentru coeficientii de dezvoltare si rezolvarea numerica a acestei ecuatii.

4. In studiul ionizari moleculelor prin impact pozitronic, folosindu-ne de experinta bogata a grupului nostru in aceasta tematica, dorim sa inbunatatim metodele precedente. Se vor extinde studiile si la alte molecule, mai ales la cele cu importanta biomedicala. Astfel aceasta tema va fi una cu caracer puternic interdisciplinar, cu aplicabilitate medicala.

  1. Calcularea sectiunilor eficace de ionizare pentru molecula de apa prin impact pozitronic. Descrierea acestui proces va necesita dezvoltarea functiei de unda moleculare dupa functiile sferice. Rezultatele se vor compara cu datele experimentale.
  2. Studiul ionizarii moleculelor diatomice prin impact cu pozitroni cu formarea pozitroniului. Formarea pozitroniului reduce considerabil pragul de ionizare, si este procesul dominant la energii de impact joase.
  3. Calcularea sectiunilor eficace de ionizare pentru unele molecule de interes biologic prin impact pozitronic. Functiile de unda pentru aceste molecule vor fi de tip gaussian, care se vor dezvolta in serie in mod asemanator ca la molecula de metan (lucrare publicata) sau apa. Starea finala electronului ejectat se va descrie cu metoda undelor distorsionate (DWBA).

Membri proiectului

  • Director:
    • prof. dr. Nagy Ladislau
  • Membri:
    • dr. Borbély Sándor
    • dr. Járai-Szabó Ferenc
    • dr. Póra Katalin
    • dr. Tóth István

Rezultate

Etapa I (01.10.2007 - 31.12.2007)


Download Sinteza lucrarii - etapa I.


În aceasta etapa a proiectul de fata au fost prevazute urmatoarele obiective: Studiul efectelor de interferenta in ionizarea moleculei de azot. Calcule analitice si numerice. Descrierea ionizarii atomilor prin imulsuri laser foarte scurte. Construirea unui model semiclasic pentru calcularea sec tiunilor eficace total diferentiale.

În timpul derularii acestei etape aceste obiective au fost atinse.

Modelul dezvoltat pentru molecula de hidrogen a fost adaptat la molecula de azot si pe baza acestuia au fost studiate efectele de interferenta în cazul ionizarii cu proiectile rapide. Au fost efectuate calcule numerice pentru investigarea efectului de interferenta în ionizarea moleculei de hidrogen prin impact cu proiectile rapide.

A fost studiat teoretic ionizarea atomului de hidrogen prin pulsuri laser intense si ultrascurte. Modelul teoretic aplicat se bazeaza pe solutia neperturbationala a ecuatiei Schr ödinger dependenta de timp considerând numai un singur electron activ.

A fost construit modelul semiclasic pentru simularea experimentelor cinematic complete si pe baza rezultatelor o analiza a fost conceputa pentru identificarea mecanismelor importante.


Publicaţii în cadrul acestei etape:


Etapa II (01.01.2008 - 15.09.2008)


Download Sinteza lucrarii - etapa II.


În aceasta etapa a proiectul de fata au fost prevazute urmatoarele obiective: Descrierea efectelor de interferenta de ordinul doi in ionizarea moleculelor biatomice; Ionizarea moleculei de apa prin impact pozitronic; Calcule imbunatatite pentru sectiunea eficace de ionizare total diferentiala a atomului de heliu.

În timpul derularii acestei etape aceste obiective au fost atinse.

In studiul nostru asupra ionizarii moleculei de azot am pus in evidenta efectele de interferenta de ordinul doi. In rezultatele experimentale frecventa oscilatiilor nu depinde de unghiul de emisie a electronului, iar pentru unghiul de emisie de 900 sunt accentuate. Acest lucru este contrar rezultatului (teoretic si experimental) obtinut pentru molecula de hidrogen. Rezultatele pentru molecula de azot sugereaza, ca oscilatiile au alta origine, decat interferenta primara de tip Young. Aceste oscilatii sunt de ordinul doi, adica unda primara interfereaza cu unda secundara obtinuta prin imprastierea pe celalalt nucleu.

Pentru molecula de apa s-a elaborat un model asemanator cu cel folosit de grupul nostru la celelalte molecule. Starea initiala a moleculei a fost descrisa printr-o combinatie liniara a functiilor Gaussiene. Functia de unda a moleculei s-a dezvoltat in serie dupa functiile sferice de suprafata, in mod analog cu metoda aplicata la metan. S-au efectuat calcule atat in cadrul modelului CPE, cat si ES si TS pentru impact cu pozitroni. Rezultatele obtinute cu modelul ES sunt in buna concordanta cu datele experimentale.

In cazul studiului de ionizare a atomului de heliu prin sectiuni eficace total diferentiale am contribuit cu succes la eliminarea factorului empiric din modelul nostru elaborat in anul anterior, si anume, am adaugat la modelul deja existent o modalitate de calcul a parametrului de impact care corespunde pentru diferite valori ale transferului de impuls. Astfel, cu o descriere exacta, am confirmat toate rezultatele anterioare ale modelului semiclasic.


Publicaţii în cadrul acestei etape:


Etapa III (16.09.2008 - 15.09.2009)


Download Sinteza lucrarii - etapa III.


În aceasta etapa a proiectul de fata au fost prevazute urmatoarele obiective: Efecte de interferenta in ionizarea moleculelor prin impulsuri foarte scurte. Ionizarea moleculelor diatomice prin impact pozitronic. Formarea de pozitroniu. Studiul cinematic complet al ionizarii cu excitare prin impact cu particule incarcate.

În timpul derularii acestei etape aceste obiective au fost atinse.

Efectele de interferenta in ionizarea moleculelor prin impulsuri foarte scurte si prin impact cu particule incarcate au fost studiate cu succes cu ajutorul modelelor neperturbationale. Au fost puse in evidenta efectele de interferenta in sectiuni eficace diferentiale care s-au manifestat prin minime accentuate in aceste cuantitati. Aceste minime sunt intr-o concordanta buna cu cele observate in datele experimentale.

A fost studiat ionizarea directa a moleculei de apa prin impact cu pozitroni si electroni in cadrul aproximatiei Born cu unde distorsionate, DWBA (Distorted-Wave Born Approximation). Calculele au fost efectuate în cadrul a trei modele: CPE (Coulomb plus plane waves with full energy range), ES (Electron Screening) si TS (Total Screening). Sectiuniel eficace calculate cu diferite modele sunt in buna concordanta cu datele experimentale.

A fost construit un model semiclasic pentru studiul cinematic complet al ionizarii atomilor si a moleculelor biatomice prin impact cu particule incarcate. S-a contribuit cu succes la eliminarea factorului empiric din model si astfel concordanta buna cu rezultetele experimentale recente au fost gasite. Au fost calculate cu succes sectiuni eficace total diferentiale pentru ionizarea atomului de heliu precum si pentru ionizarea moleculei de hidrogen. Rezultatele modelului sunt in concordanta buna cu rezultatele experimentale din literatura. Modelul este capabil sa reproduca si efectele de interferenta datorata caracterului bicentric al moleculelor tinta.


Publicaţii în cadrul acestei etape:


Etapa IV (16.09.2009 - 15.09.2010)


Download Sinteza lucrarii - etapa IV.


În aceasta etapa a proiectul de fata au fost prevazute urmatoarele obiective: descrierea interferentelor spatiale si temporale in ionizare prin impulsuri laser multiple; ionizarea unor molecule organice prin impact pozitronic; studiul ionizarii atomilor prin impact cu particule incarcate in campuri laser intense.

În timpul derularii acestei etape aceste obiective au fost atinse.

Modelul numeric TDSE dezvoltat pentru descrierea ionizarii sistemelor atomice prin pulsuri laser intense si ultrascurte a fost inbunatatit si paralelizat. A fost aplicat pentru studierea ionizarii a moleculei de apa prin pulsuri laser intense si ultrascurte. O concordanta destul de buna a fost gasita intre rezultatele clasice (CTMC) si cele cuantice la intensitati mari a pulsurilor laser. A mai fost studiat infuenta duratei pulsurilor half-cycle asupra preciziei rezultatelor obtinute cu ajutorul modelelor clasice si cuantice in colaborare cu alte grupuri de cercetare. Modelul TDSE a mai fost folosit cu succes si la studierea ionizarii atomului de hidrogen prin pulsuri laser ultrascurte XUV. In aceste studii s-a concentrat asupra efectelor de interferenta, ce apar datorita duratei scurte a pulsului XUV.

S-a studiat teoretic ionizarea moleculei organice de metan in procese de tip (e, 2e). In aceste procese marimea fizica de interes este sectiunea eficace total diferentiala. Calculele au fost efectuate in cadrul aproximatiei Born cu unde distorsionate (DWBA - Distorted Wave Born Approximation) prin trei modele: ES (Electron Screening), TS (Total Screening) si TS*. S-a observat ca modelul TS* descrie foarte bine datele experimentale mai ales pentru energii mici si medii.

Modelul elaborat pentru calcularea sectiunilor eficace total diferentiale de ionizare a atomilor prin impact cu particule incarcate a fost adopat cu succes pentru ionizarea heliului prin impact cu particule negativ incarcate. Au fost calculate sectiuni eficace total diferentiale pentru ionizarea atomului de heliu prin impact cu electroni de 1 keV si antiprotoni de 500 keV in planul de imprastiere si cel perpendicular. Pentru a clarifica tipurie de tranzitii responsabile pentru structurile obtinute s-a realizat si un studiu cu unde partiale. Rezultatele modelului sunt in majoritatea cazurilor studiate in concordanta cu rezultatele experimentale si teoretice din literatura.


Publicaţii în cadrul acestei etape:

  • S. Borbély, L. Nagy, K. Tőkési, Ionization of the water by intense ultrashort half-cycle electric pulses, Eur. J. Phys. D 59 (2010) 337
  • D. G. Arbó, M. S. Gravielle, K. I. Dimitriou, K. Tőkési, S. Borbély and J. E. Miraglia, Ionization of the hydrogen atom by short half-cycle pulses: dependence on the pulse duration, Eur. Phy. J. D 59 (2010) 193
  • I. Toth, R. I. Campeanu, V. Chis, L. Nagy, Ionization of the water molecule by electron and positron impact, Journal of Physics: Conference Series 199 (2010) 012018
  • I. Toth, L. Nagy, Triple-differential cross-section calculations for the ionization of CH4 by electron impact, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 43 (2010) 135204
  • A. Toth, I. Toth, L. Nagy, Calculated totally differential cross sections for the ionization of helium by electron impact, Studia Universitatis Babes-Bolyai, Phyisica, LIV, 2, 2009
  • D. G. Arbó, M. S. Gravielle, K. Tőkési, S. Borbély, K. Dimitriou and J. E. Miraglia, Atomic ionization by ultrashort half-cycle pulses, J. Phys. Conf. Ser. 194 (2009) 022030
  • S. Borbély, L. Nagy, K. Tőkési, D. G. Arbó, M. S. Gravielle, J. E. Miraglia Bound electron states role in the ionization of atoms, ECAMP10 (10th European conference on Atoms, Molecules and Photons), Salamanca, Spania, 4-10 julie 2010
  • L. Nagy, I. Tóth, Theoretical triple differential cross sections for the ionization of the CH4 by electron impact, ECAMP10, Salamanca, Spania, 4-10 julie 2010

Gradul de implicare al tinerilor cercetatori

Toti tinerii cercetatori au contributii importante la calculele analitice si numerice efectuate in cadrul prezentului proiect.

Doctoranzii implicati in proiect si-au terminat studiile doctorale prin sustinerea publica a tezelor de doctorat scrise pe tema prezentului proiect.