极端条件复杂动力学

【摘要】： 激光技术的发展对于物理学的许多领域产生的巨大的影响。一方面激光冷却技术使得研究并操控极低温度下物质体系成为可能。继1995年玻色原子的凝聚实现以来,人们通过Feshbach共振技术,使得两个原子形成弱束缚的玻色分子,并且已经实现这种玻色分子的凝聚。对于费米原子,这种技术可以用来研究超流的本质以及BCS-BEC渡越物理机制；而对于玻色原子,这种技术可以研究两种玻色凝聚体的关联、转化等问题。另一方面激光的功率越来越高,利用高功率激光加速带电粒子已经是等离子体领域的热点问题。激光打靶是离子加速的一种有效方法。 在零温条件下,由于熵为零,大量粒子组成物理系统也会表现出有序的性质。通过激光冷却技术,可以实现超低温度。研究这种超低温度的物理现象,对于验证物理定律、精确测量、微观操控等领域都有重要意义。自1995年玻色-爱因斯坦凝聚实现以来,超冷物理系统的研究发展迅速。通过Feshbach共振,将两个费米原子形成弱束缚玻色分子,已经实现了费米原子的凝聚。同样的技术也用于玻色原子,实现了玻色原子组成的弱束缚玻色分子的凝聚。 由于塞曼效应,不同自旋的原子在磁场当中会具有不同的塞曼能级,而且塞曼能级的大小可以由磁场调节。因此不同自旋的原子的能级差,即原子之间的相互作用势随磁场改变。不同自旋组态的两个原子之间的相互作用势不同。所以存在一个临界磁场,使得不同组态的相互作用势相等,因此不同组态之间可以互相转化。通过绝热的线性调节磁场,可以使得所有原子成为一种自旋组态。散射理论可以证明,原子之间的相互作用势存在弱的束缚态,当温度很低的时候,两个不同自旋的原子可以在这个束缚态上保持很长的时间。这种通过调节磁场使得两种自旋的原子形成弱的束缚的双原子分子的方法就是Feshbach共振技术。 对于这种多体量子系统,如果从量子力学出发,由于方程的个数与粒子数成正比,所以求解将是非常困难的。在超低温度下,物理系统会表现出有序性质,集体激发。此时平均场方法是很好的近似。利用平均场方法,可以得到简单的解析结果,能够揭示物理系统的某些深刻本质。我们正是采用这种平均场方法,分析物理系统的性质,并与实验比较。 电磁相互作用能够产生丰富的现象,有很广泛的用处,而等离子体是理想的研究电磁相互作用的体系。人类对等离子体的实验开始于朗缪尔(Irving Langmuir,1932年诺贝尔化学奖得主)对辉光放电时电离气体现象的研究。从上个世纪50年代开始,因为对高能量密度物质系统的研究需要,人们对等离子体重视起来。在等离子体系统中,可以存在很强的电场、磁场、高速粒子流。这些性质使得等离子体在受控核聚变、高能粒子对撞、空间科学技术、甚至医学上切除肿瘤等许多领域都有重要的应用。 通过激光与等离子体相互作用,可以产生高速的离子束。激光打靶加速离子可以有几种方式：靶前的后向加速、靶前的前向加速、靶后的前向加速。其中离子在靶后的前向加速是近些年来激光打靶加速的热点领域。经过多年的研究,在离子加速方面已经建立了基本的模型和理论。为了更有效的提高离子加速的能量和粒子数,当前的研究主要两个方向发展,一个是超强激光、超薄靶,利用辐射压把离子加速到很高的能量。另一个方向是改变靶的形状,比如使靶成为凹形,使得激光的能量集中到”焦点”上 激光打靶加速靶后离子的过程可以用流体力学方式来研究。当激光打到等离子体靶上后,靶前与激光接触的那部分的电子会在激光的电场和磁场作用下向前运动,这种加速可以归结为有质动力加速。这些高速电子束在穿过靶的过程中,通过碰撞等相互作用,能够加热等离子体靶的电子,最终使得电子具有很高的温度,而且在靶后产生静电分离的电子。这些电子的密度由泊松方程决定。然后等离子体靶后的离子在静电分离场作用下开始向前膨胀。 离子受到的静电分离场产生的力垂直与靶的表面,这类似于流体力学中的流体压强产生的压力。在流体力学中,如果流体表面的形状被设计成凹形,那么由于压力的作用,就会产生瑞利-泰勒不稳定性,并且发生射流现象。类似现象在靶后挖成凹形的等离子体中也会出现。这正是本文研究的出发点。事实上,这种射流现象已经在模拟上看到了。我们要做的是给出一个理论的描述,以更有效的通过这种射流来加速离子。 本文分为两个部分,第一部分介绍超低温环境下,Feshbach共振导致的原子-分子转化过程。第二部分介绍超强场环境下,激光加速离子产生射流的物理机制。