極端條件復(fù)雜動(dòng)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(duì)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(lái)，人們通過(guò)Feshbach共振技術(shù)，使得兩個(gè)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(duì)于費(fèi)米原子，這種技術(shù)可以用來(lái)研究超流的本質(zhì)以及BCS-BEC渡越物理機(jī)制;而對(duì)于玻色原子，這種技術(shù)可以研究?jī)煞N玻色凝聚體的關(guān)聯(lián)、轉(zhuǎn)化等問(wèn)題。另一方面激光的功率越來(lái)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(wèn)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(huì)表現(xiàn)出有序的性質(zhì)。通過(guò)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(duì)于驗(yàn)證物理定律、精確測(cè)量、微觀操控等領(lǐng)域都有重要意義。自1995年玻色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)現(xiàn)以來(lái)，超冷物理系統(tǒng)的研究發(fā)展迅速。通過(guò)Feshbach共振，將兩個(gè)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(chǎng)當(dāng)中會(huì)具有不同的塞曼能級(jí)，而且塞曼能級(jí)的大小可以由磁場(chǎng)調(diào)節(jié)。因此不同自旋的原子的能級(jí)差，即原子之間的相互作用勢(shì)隨磁場(chǎng)改變。不同自旋組態(tài)的兩個(gè)原子之間的相互作用勢(shì)不同。所以存在一個(gè)臨界磁場(chǎng)，使得不同組態(tài)的相互作用勢(shì)相等，因此不同組態(tài)之間可以互相轉(zhuǎn)化。通過(guò)絕熱的線性調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，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(shì)

4、存在弱的束縛態(tài)，當(dāng)溫度很低的時(shí)候，兩個(gè)不同自旋的原子可以在這個(gè)束縛態(tài)上保持很長(zhǎng)的時(shí)間。這種通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)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(duì)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(gè)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(huì)表現(xiàn)出有序性質(zhì)，集體激發(fā)。此時(shí)平均場(chǎng)方法是很好的近似。利用平均場(chǎng)方法，可以得到簡(jiǎn)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(chǎng)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(duì)等離子體的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始于朗繆爾(IrvingLangmuir，1932年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主)對(duì)輝光放電時(shí)電離氣體現(xiàn)象的研究。從上個(gè)世紀(jì)50年代開(kāi)始，因?yàn)閷?duì)高能量密度物質(zhì)系統(tǒng)的研究需要，人們對(duì)等離子體重視起來(lái)。在等離子體系統(tǒng)中，可以存在很強(qiáng)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、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(duì)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(guò)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(lái)激光打靶加速的熱點(diǎn)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)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(gè)方向發(fā)展，一個(gè)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(gè)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(guò)程可以用流體力學(xué)方式來(lái)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(huì)在激光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下向前運(yùn)動(dòng)，這種加速可以歸結(jié)為有質(zhì)動(dòng)力加速。這些高速電子束在穿過(guò)靶的過(guò)程中，通過(guò)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(chǎng)作用下開(kāi)始向前膨脹。
　　離子受到的靜電分離場(chǎng)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(huì)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(huì)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(gè)理論的描述，以更有效的通過(guò)