Исследование эффектов возбуждения атомной структуры и резонансных явлений в фундаментальных процессах в интенсивном лазерном поле

Настоящий проект направлен на решение актуальных задач физики взаимодействия лазерного излучения с веществом, связанных с широко изучаемыми в настоящее время процессами надпороговой ионизации, генерации вторичного излучения, многоэлектронной ионизации, образования ридберговских атомов и другими проявлениями нелинейной квантовой динамики атомных и молекулярных систем в полях электромагнитного излучения высокой интенсивности. Основная цель проекта состоит в разработке теоретического аппарата, необходимого для исследования влияния связанных состояний, включая резонансы, а также влияния межэлектронных корреляций на процессы надпороговой ионизации, генерации высших гармоник и длинноволнового излучения. В настоящее время эффективные приближенные теоретические методы, позволяющие описать влияние связанных состояний, проявляющееся при взаимодействии атомных систем с сильным лазерным излучением, практически отсутствуют. Эксперименты последних лет, обнаружившие такие эффекты в спектрах надпороговой ионизации и вторичного излучения, однозначно указывают на значительную роль связанных состояний в нелинейной квантовой динамике атомов и молекул в сильном внешнем поле, что делает развитие предлагаемой теории актуальной и новой задачей. Не менее важную часть проекта составляет численное моделирование эффектов связанных состояний и многоэлектронной структуры, выполняемое несколькими взаимно дополняющими методами, включая численное решение уравнений Кона-Шэма и гамильтоновых уравнений для классических аналогов квантовых систем. Такое численное моделирование, выполненное для реальных атомных систем, позволит провести фундаментальную проверку разработанных теоретических методов и количественный анализ исследуемых эффектов, необходимый для интерпретации имеющихся экспериментальных данных и для планирования новых экспериментов. Кроме того, решение поставленных в проекте задач будет способствовать дальнейшему развитию высокопроизводительных вычислений, применяемых для исследования нелинейной динамики квантовых систем в нестационарных интенсивных полях. Аналитическая часть предлагаемых в проекте исследований предполагает развитие методов, прошедших многолетнюю апробацию в атомной физике сильных лазерных полей, путем включения в них связанных состояний и многоэлектронных эффектов. Подходы, нетривиальная модернизация которых будет выполнена в рамках проекта, включают метод эффективного радиуса, метод квазистационарных квазиэнергетических состояний, квазиклассическое приближение в теории ионизации и генерации вторичного излучения, а также подход, основанный на уравнении Липпмана-Швингера и его анализе методом Гильберта-Шмидта. С использованием разработанного теоретического аппарата будут количественно исследованы: эффект многофотонного и туннельного возбуждения ридберговских состояний, известный в литературе, как «туннелирование без ионизации», резонансная ионизация в сильном лазерном поле, резонансное увеличение выхода высших гармоник в атомах щелочных металлов, эффекты атомной структуры при генерации длинноволнового излучения газовыми мишенями, коллективный туннельный эффект. Сочетание аналитических подходов и полномасштабного численного моделирования позволит выполнить количественные расчеты, необходимые для предсказания новых эффектов атомной структуры в спектрах надпороговой ионизации и вторичного излучения и для подготовки соответствующих экспериментов. В частности, будут предложены альтернативные схемы спектроскопии возбужденных состояний атомных систем, основанные на анализе спектров надпороговой ионизации и вторичного излучения. Актуальность предлагаемого исследования определяется как широчайшим спектром практически важных приложений лазерно-индуцированных нелинейных процессов в медицине, биологии, физике, материаловедении и т.д., так и отсутствием в настоящее время подходящего теоретического аппарата для описания влияния возбуждения атомной структуры на нелинейные процессы, индуцированные сильным лазерным полем. Научная проблема, сформулированная в рамках проекта, только начинает исследоваться в ведущих мировых лабораториях, тем самым определяя новизну предлагаемых исследований.