Luận văn Khảo sát ảnh hưởng của tương tác coulomb lên phổ động lượng tương quan hai electron

Nội dung tài liệu: Luận văn Khảo sát ảnh hưởng của tương tác coulomb lên phổ động lượng tương quan hai electron

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Anh Thư KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC COULOMB LÊN PHỔ ĐỘNG LƯỢNG TƯƠNG QUAN HAI ELECTRON LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2018
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Anh Thư KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC COULOMB LÊN PHỔ ĐỘNG LƯỢNG TƯƠNG QUAN HAI ELECTRON Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM NGUYỄN THÀNH VINH Thành phố Hồ Chí Minh – 2018
3. LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi và thầy hướng dẫn. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2018 Học viên thực hiện Nguyễn Thị Anh Thư
4. LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tơi đã nhận được rất nhiều sự hướng dẫn, hỗ trợ và động viên từ quý Thầy Cơ, bạn bè, cơ quan và đặc biệt là gia đình. Do đĩ, thơng qua luận văn, tơi xin gửi lời cám ơn chân thành đến:  TS. Phạm Nguyễn Thành Vinh, Thầy đã tận tình hướng dẫn khoa học, trao cho tơi sự tin tưởng và hỗ trợ tơi hết mình trong suốt quá trình tơi thực hiện nghiên cứu.  Quý Thầy, Cơ khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM đã truyền thụ kiến thức khoa học, tiếp thêm lửa nghề cho tơi trong thời gian học tập tại trường.  Các bạn trong nhĩm nghiên cứu AMO Group của Thầy Phạm Nguyễn Thành Vinh, Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM đã giúp đỡ rất nhiệt tình khi tơi gặp vấn đề khĩ khăn chẳng hạn khi lập trình hay xử lý số liệu.  Trường THPT Trung Phú – Huyện Củ Chi, nơi tơi cơng tác, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi cĩ thể học tập nâng cao trình độ.  Gia đình đã luơn bên cạnh tơi, hỗ trợ và tạo động lực mạnh mẽ để tơi cĩ thể hồn thành tốt luận văn này. Xin trân trọng cám ơn! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2018 Học viên thực hiện Nguyễn Thị Anh Thư
5. MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 6 1.1. Quá trình ion hĩa kép khơng liên tục ..................................................................... 6 1.1.1. Các cơ chế ion hĩa khi laser tương tác với vật chất ......................................... 6 1.1.2. Quá trình ion hĩa kép khơng liên tục ............................................................... 9 1.2. Mẫu tập hợp ba chiều cổ điển .............................................................................. 11 1.3. Thế màn chắn Yukawa ......................................................................................... 13 Chương 2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................... 18 2.1. Khảo sát vai trị của hệ số λ trong thế màn chắn Yukawa đến phổ động lượng tương quan hai electron ............................................................................ 19 2.2. Các cơ chế ion hĩa được xem xét trong quá trình ion hĩa kép khơng liên tục của nguyên tử heli ......................................................................................... 22 2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tương tác Coulomb lên quá trình ion hĩa kép khơng liên tục ứng với cường độ laser mạnh xấp xỉ ngưỡng 3,5.1014 W/cm2 ................................................................................................................. 24 2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của tương tác Coulomb lên phổ động lượng tương quan của tồn bộ hiện tượng ion hĩa kép ghi nhận được ............................ 24 2.3.2. Xem xét ảnh hưởng của tương tác Coulomb đối với từng cơ chế ion hĩa .... 25 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tương tác Coulomb lên quá trình ion hĩa kép khơng liên tục ứng với cường độ laser mạnh trên ngưỡng 4,5.1014 W/cm2 ....... 29 2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của tương tác Coulomb lên phổ động lượng của tồn bộ hiện tượng DI ghi nhận được .......................................................... 29 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của tương tác Coulomb đối với từng cơ chế ion hĩa .... 30
6. 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của tương tác Coulomb lên quá trình ion hĩa kép khơng liên tục ứng với cường độ laser cao 6,0.1014 W/cm2 .............................. 33 2.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của tương tác Coulomb lên phổ động lượng của tồn bộ hiện tượng DI ghi nhận được .......................................................... 33 2.5.2. Xem xét ảnh hưởng của tương tác Coulomb đối với từng cơ chế ion hĩa .... 34 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 39 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................................. 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 41
7. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TDSE: Phương trình Schrưdinger phụ thuộc thời gian (Time Dependent Schrưdinger Equation) MPI: Sự ion hĩa đa photon (MultiPhoton Ionization) ATI: Sự ion hĩa vượt ngưỡng (Above -Threshold Ionization) TI: Sự ion hĩa xuyên ngầm (Tunneling Ionization) BSI: Sự ion hĩa vượt rào (Barrier Suppression Ionization) HHG: Sĩng điều hịa bậc cao (High - order Harmonic Generation) DI: Sự ion hĩa hai lần (Double Ionization) NSDI: Sự ion hĩa hai lần khơng liên tiếp (NonSequential Double Ionization) SDI: Sự ion hĩa hai lần liên tiếp (Sequential Double Ionization) SFA: Xấp xỉ trường mạnh (Strong Field Approximation) CTEMD: Phổ động lượng tương quan hai electron (Correlated Two - Electron Momentum Distribution) RDESI: Sự ion hĩa xảy ra sau từ trạng thái kích thích kép (Recollision - induced Double Excitation with Subsequent Ionization RESI: Sự ion hĩa xảy ra tiếp sau một khoảng thời gian hỗn (Recollision - induced Excitation with Subsequent Ionization)
8. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cơ chế ion hĩa đa photon: (a) dưới ngưỡng, (b) vượt ngưỡng .................... 8 Hình 1.2. Cơ chế ion hĩa trường: (a) xuyên ngầm, (b) vượt rào ................................. 8 1 Hình 1.3. Đồ thị biểu diễn thế Coulomb Vr() (đường màu đen), thế r Yukawa với  1 ( đường màu xanh dương), thế Yukawa với  2 ( đường màu đỏ), thế Yukawa với  10 ( đường màu lục). [24] ............ 15 Hình 1.4. Quá trình tính tốn ..................................................................................... 17 Hình 2.1. Điện trường xung laser cĩ hình bao dạng hình thang ................................ 19 Hình 2.2. CTEMD ứng với các trường hợp: λ = 0,1,2,3,4,5,6,10. ............................ 21 Hình 2.3. Năng lượng của hai electron trong suốt quá trình tương tác với laser ứng với bốn cơ chế khảo sát ...................................................................... 23 Hình 2.4. Phổ động lượng tương quan hai electron ở cường độ 3,5.1014 W/cm2 ứng với hai trường hợp: chưa xét thế Yukawa (a) và đã xét thế Yukawa với λ = 5,0 (b). ......................................................................................................... 24 Hình 2.5. Phổ năng lượng quay về của electron tái va chạm trước lúc tái va chạm ứng với cường độ 3,5.1014 W/cm2. ................................................... 25 Hình 2.6. Phổ động lượng tương quan hai electron tương ứng khi chưa xét thế màn chắn Yukawa (hàng trên) và khi đã xét thế Yukawa (hàng dưới), cường độ 3,5.1014 W/cm2. .......................................................................... 27 Hình 2.7. Thời gian chênh lệch giữa thời điểm ion hĩa của hai electron sau tái va chạm ứng với bốn cơ chế khảo sát ở hình 2.3 ở cường độ 3,5.1014 W/cm2. ....................................................................................................... 28
9. Hình 2.8. Phổ động lượng tương quan hai electron ở cường độ 4,5.1014 W/cm2 ứng với hai trường hợp: chưa xét thế Yukawa (a) và đã xét thế Yukawa với λ = 5,0(b). .......................................................................................................... 29 Hình 2.9. Phổ năng lượng quay về của electron tái va chạm trước lúc tái va chạm ứng với cường độ 4,5.1014 W/cm2. ................................................... 30 Hình 2.10. Phổ động lượng tương quan hai electron tương ứng khi chưa xét thế màn chắn Yukawa (hàng trên) và khi đã xét thế Yukawa (hàng dưới), cường độ 4,5.1014 W/cm2. .......................................................................... 31 Hình 2.11. Thời gian chênh lệch giữa thời điểm ion hĩa của hai electron sau tái va chạm ứng với bốn cơ chế khảo sát ở hình 2.3 ở cường độ 4,5.1014 W/cm2. ....................................................................................................... 32 Hình 2.12. Phổ động lượng tương quan hai electron ở cường độ 6,0.1014 W/cm2 ứng với hai trường hợp: chưa xét thế Yukawa (a) và đã xét thế Yukawa với λ = 5,0(b). .............................................................................. 33 Hình 2.13. Năng lượng quay về của electron tái va chạm ứng với cường độ 6,0.1014 W/cm2. .......................................................................................... 34 Hình 2.14. Phổ động lượng tương quan hai electron tương ứng khi chưa xét thế màn chắn Yukawa (hàng trên) và khi đã xét thế Yukawa (hàng dưới), cường độ 6,0.1014 W/cm2. .......................................................................... 35 Hình 2.15. Thời gian chênh lệch giữa thời điểm ion hĩa của hai electron sau tái va chạm ứng với bốn cơ chế khảo sát ở hình 2.3 ở cường độ 6,0.1014 W/cm2. ....................................................................................................... 36 Hình 2.16. Phân bố thời điểm ion hĩa kép theo pha laser ứng với cơ chế er < 0, 14 2 eb > 0 (hình a) và er < 0, eb < 0 (hình b) ở cường độ 6,0.10 W/cm . ....... 37
10. 1 MỞ ĐẦU Con người luơn muốn nắm bắt được kiến thức về sự hình thành, cấu tạo cũng như sự vận động nội tại của thế giới vật chất. Muốn vậy chúng ta phải sử dụng bức xạ để tương tác với nguyên tử, phân tử. Cĩ rất nhiều phương pháp để tìm hiểu về vấn đề này như nhiễu xạ điện tử [18], nhiễu xạ notron [20], nhiễu xạ tia X [28]. Tuy nhiên những phương pháp này cĩ độ phân giải thời gian lớn nên khĩ cĩ thể đi sâu khảo sát chuyển động xoay của nguyên tử, phân tử, dao động của hạt nhân và electron. Từ khi ra đời thì laser trở thành một phương pháp tối ưu để nghiên cứu sự vận động nội tại của nguyên tử, phân tử. Khi nguyên tử, phân tử trong vật chất tương tác với laser thì nhiều hiện tượng quang phi tuyến được xuất hiện như: hiện tượng ion hĩa đa photon (MPI – MultiPhoton Ionization) [27], hiện tượng phát xạ sĩng điều hịa bậc cao (HHG – High – order Harmonic Generation) [19], hiện tượng ion hĩa vượt ngưỡng (ATI – Above – Threshold Ionization) [2], hiện tượng ion hĩa kép liên tục (SDI – Sequential Double Ionization) [11], hiện tượng ion hĩa kép khơng liên tục (NSDI – Non – Sequential Double Ionization) [31]. Cốt lõi của quá trình vật lý xảy ra bên trong các hiện tượng trên là quá trình tái va chạm của electron. Trong trường hợp laser phân cực thẳng, mẫu bán cổ điển đơn giản nhất do Corkum [5] đưa ra cĩ thể giải thích được sự tương tác giữa nguyên tử, phân tử và laser: electron thứ nhất bị ion hĩa chuyển động ra vùng năng lượng liên tục và được gia tốc trong trường điện từ của laser, sau nửa chu kỳ quang học laser đổi chiều kéo electron quay trở lại ion mẹ. Thời điểm này electron cĩ thể tái kết hợp với ion mẹ phát ra photon thứ cấp đĩ là hiện tượng phát xạ sĩng điều hịa bậc cao (HHG), hoặc va chạm đàn hồi tạo nên hiện tượng ion hĩa vượt ngưỡng (ATI) cịn sự tái va chạm khơng đàn hồi là nguyên nhân gây ra hiện tượng ion hĩa kép khơng liên tục (NSDI). Từ đây mở ra nhiều hướng nghiên cứu sự vận động nội tại bên trong lớp vỏ nguyên tử, phân tử thơng qua việc phân tích sự thay đổi trạng thái của chúng khi tương tác với laser. Trong đĩ, hiện tượng ion hĩa kép khơng liên tục (NSDI) thu hút nhiều sự quan tâm bởi vì đây là hình mẫu đầu tiên cho việc nghiên cứu bài tốn Coulomb ba vật thể (three – body Coulomb) dựa trên sự tương tác phi nhiễu loạn của electron và trường laser. Phổ động lượng tương quan hai electron