Ученые СПбГУ разработали теорию для описания атомных систем с сильной интерференцией квантово-электродинамических и корреляционных эффектов

Физики Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый метод исследования многозарядных ионов. Результаты были опубликованы в одном из престижных научных журналов по физике — Physical Review Letters.

Одним из ключевых достижений квантовой электродинамики, во многом определившим ее дальнейшее развитие, было объяснение так называемого лэмбовского сдвига, то есть наблюдаемого на эксперименте расщепления 2s и 2p1/2 уровней в атоме водорода. Согласно релятивистской квантовой механике, основанной на уравнении Дирака, два этих уровня вырождены и, соответственно, имеют одинаковую энергию. Для объяснения этого эффекта ученым потребовалось привлечь квантовую теорию поля, коей и является квантовая электродинамика. Первый успешный расчет такого плана был выполнен в далеком 1947 году американским физиком Хансом Бете.

Долгое время объектом проверки и применения методов квантовой электродинамики для связанных состояний были такие легкие атомные системы, как водород, гелий, позитроний (аналог водорода, в котором на месте протона находится позитрон — античастица для электрона) и мюоний (где роль ядра выполняет более тяжелый, чем позитрон, положительный мюон). Ситуация изменилась в середине 1980-х, когда появились экспериментальные возможности для исследования многозарядных ионов — атомов тяжелых элементов, у которых «ободраны» почти все электроны. Данные системы примечательны тем, что по сравнению с легкими атомами релятивистские и квантово-электродинамические эффекты в них более выражены.

Оказалось, что теоретические методы, пригодные для легких систем, не могут быть применены напрямую для изучения многозарядных ионов. Основная причина кроется в том, что в многозарядных ионах взаимодействие электронов с ядром не является малым, и для получения прецизионных результатов это взаимодействие следует учитывать точно, не прибегая к приближенным методам. В результате ученым приходится разрабатывать концептуально новые методы и подходы, которые, естественно, должны быть заново протестированы и апробированы путем сравнения с экспериментом. Существенный прогресс в данной области был достигнут благодаря работам, проводимым коллективом кафедры квантовой механики СПбГУ. Выполненные высокоточные расчеты электронной структуры водородо-, гелие-, литиеподобных систем сейчас во многом определяют современный уровень развития теории многозарядных ионов.

«Почти десять лет назад мы впервые обратили внимание на бериллиеподобные ионы, у которых в процессе «обдирки» остается всего четыре электрона, – рассказал доцент СПбГУ Алексей Малышев. – На первый взгляд, данная система минимальным образом должна отличаться от литиеподобных ионов, содержащих всего на один электрон меньше. Однако оказалось, что в бериллиеподобных многозарядных ионах проявляются качественно новые многочастичные КЭД эффекты».

По словам Алексея Владимировича, электромагнитное взаимодействие приводит к сильному перемешиванию близких уровней одинаковой симметрии, возникает значительное взаимовлияние корреляционных и квантово-электродинамических эффектов. Как результат, бериллиеподобные ионы бросают серьезный вызов атомным расчетам в рамках квантовой электродинамики для связанных состояний.

Дело в том, что все предыдущие подходы, в которых рассмотрение квантово-электродинамических эффектов было сведено к первому порядку теории возмущений, имеют ограниченную точность. Более того, теоретические предсказания, получаемые в рамках применения стандартной квантово-электродинамической теории возмущений для одиночного уровня, оказываются неудовлетворительными.

«С целью преодолеть данные трудности, в результате многолетней работы нами были развиты не имеющие аналога методы, основанные на использовании квантово-электродинамической теории возмущений для квазивырожденных уровней. Данные методы мы применили к расчету уровней энергии в бериллиеподобном ксеноне, для которого существует большое количество экспериментальных данных, – подчеркнул Алексей Владимирович. – Полученные нами теоретические предсказания для энергий возбуждения оказались в прекрасном согласии с данными самых последних экспериментов. Вместе с тем, для одного отдельного состояния обнаружено некоторое расхождение с результатами предшествующего измерения. Мы надеемся, что наша работа инициирует новые экспериментальные исследования бериллиеподобных ионов и послужит стимулом к дальнейшему развитию прецизионных методов расчета в рамках квантовой электродинамики для связанных состояний».

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ, РФФИ, компании «Росатом» и Фонда содействия развитию теоретический физики и математики «БАЗИС». В исследованиях принимает участие научная группа, включающая научно-педагогический коллектив кафедры квантовой механики СПбГУ, студентов и аспирантов.

Подробнее с результатами исследования можно познакомиться в статье: Ab initio calculations of energy levels in Be-like xenon: strong interference between electron-correlation and QED effects // Physical Review Letters. 2021. Vol. 126. No 183001. DOI 10.1103/PhysRevLett.126.183001