В динамике многоэлектронных атомов взаимодействие между электронами играет ключевую роль. В отличие от одноэлектронной модели, где электрон рассматривается как движущийся в среде усреднённого потенциала ядра и остальных электронов, реальные системы демонстрируют сильную взаимосвязанность движения электронов, что проявляется через корреляционные эффекты. Эти эффекты становятся особенно значимыми при воздействии сильных внешних полей, таких как фемтосекундные лазерные импульсы, когда характерные временные масштабы возбуждения сопоставимы с временем движения электронов.
Корреляционные эффекты включают:
Для количественного описания корреляционных эффектов применяются несколько подходов:
Многоэлектронные волновые функции Традиционно используются методы конфигурационного взаимодействия (CI), где волновая функция представляется линейной комбинацией детерминантов Слэтера:
Ψ = ∑iciΦi
Здесь Φi — конфигурационные функции, а ci — амплитуды соответствующих конфигураций. Такой подход позволяет учитывать взаимное влияние электронов на кинетику и потенциал друг друга.
Методы плотности Современные методы, такие как функционалы плотности (DFT) и их временные аналоги (TDDFT), учитывают корреляцию через корреляционный функционал энергии. TDDFT особенно полезен для моделирования ответов атомов и молекул на ультракороткие лазерные импульсы.
Аб Initio методы с учётом корреляции Включают методы многочастичного разложения, такие как CC (coupled-cluster) или MCSCF (multi-configurational self-consistent field). Эти методы позволяют точно моделировать как статическую, так и динамическую корреляцию.
Корреляционные эффекты проявляются особенно ярко в процессах ионизации атомов:
Двойная ионизация Одновременное удаление двух электронов невозможно без учёта их взаимного взаимодействия. Пример — эффект коллизионной двойной ионизации, когда один электрон выбивает второй через кулоновское взаимодействие.
Многофотонная ионизация При поглощении нескольких фотонов корреляция влияет на вероятности переходов и на распределение импульсов и энергии электронов. Например, в фемтосекундных импульсах интенсивностью выше 1014 Вт/см² корреляция приводит к значительным сдвигам спектральных пиков.
Подбарьерная туннельная ионизация В сильных полях корреляция модифицирует барьер, через который туннелирует электрон, что проявляется в изменении коэффициента ионизации и распределений по направлениям выброса электронов.
В ультракоротких лазерных импульсах (фемтосекундных и аттосекундных) ключевую роль играют временные корреляции:
Когерентное движение электронов Возбуждение атома создаёт суперпозицию состояний, где фазы разных электронных конфигураций связаны. Временная когерентность определяет возможность управления траекторией электронов с помощью лазерного поля.
Рекомбинационные процессы После ионизации часть электронов может рекомбинировать с ионом, при этом корреляционные эффекты формируют спектр высоких гармоник и ультракоротких импульсов света.
В многоэлектронных системах сильное лазерное поле может привести к хаотическому поведению электронов, где классические траектории демонстрируют чувствительность к начальным условиям. В квантовом описании хаос проявляется через сложные корреляционные связи между состояниями и быстрое изменение распределений плотности. Для анализа таких систем применяются:
Квантовая статистика состояний Для определения вероятностей переходов с учётом межэлектронного взаимодействия.
Методы численного моделирования Прямое интегрирование уравнения Шрёдингера с учётом всех электронов позволяет проследить динамику коррелированных систем в реальном времени.
В молекулах корреляция усложняется наличием многоцентровых потенциалов и внутримолекулярных взаимодействий. Ключевые проявления:
Корреляционные эффекты в атомной и молекулярной динамике являются фундаментальными для точного описания поведения систем в сильных полях. Они влияют на:
Понимание этих процессов требует сочетания теоретических методов, численного моделирования и экспериментальных данных, что делает исследование корреляции в фемтофизике одной из наиболее актуальных и динамично развивающихся областей.