Реферат: Ю. В. Думин Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, г. Троицк

XXXIX Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 6 – 10 февраля 2012 г.



Магнито-стимулированная диффузия
в холодной ридберговской плазме
Ю.В. Думин

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, г.Троицк
Московской обл., Россия, e-mail: dumin@izmiran.ru
Институт физики комплексных систем им. Макса Планка, Дрезден, Германия,
e-mail: dumin@pks.mpg.de

Цель настоящего доклада – представить теоретическое обсуждение одного весьма необычного явления, которое следует ожидать в холодной слабоионизованной ридберговской плазме. А именно, если в абсолютном большинстве известных плазменных систем (начиная от лабораторных устройств для осуществления управляемого термоядерного синтеза и кончая разнообразными астрофизическими объектами) наложение внешнего магнитного поля существенно подавляет диффузию в поперечном направлении, то в холодной ридберговской плазме может иметь место прямо противоположный эффект – усиление диффузии за счет магнитного поля.

Физический механизм вышеупомянутого явления состоит в следующем. Если сила Лоренца, действующая на ридберговский электрон, становится сопоставимой с силой его кулоновского притяжения к иону, то такой электрон после каждого своего оборота будет оказываться сдвинутым в квази-случайном направлении относительно того положения, которое он занимал бы на невозмущенной орбите (т.е. в отсутствие магнитного поля). При этом ион, в результате вращения вокруг него возмущенного электрона, будет испытывать толчки в различных направлениях, приводящие в конечном счете к случайному блужданию диффузионного типа.

Количественный расчет этого эффекта дает следующее значение для эффективного безразмерного коэффициента диффузии:

D ~ (i/e)2 (e/e) . (1)

В этой формуле все пространственные масштабы предполагаются выраженными в единицах радиуса орбиты невозмущенного ридберговского электрона, а времена – в единицах его периода обращения; e и i – гирочастоты свободного электрона и иона в заданном магнитном поле, e – кеплеровская частота невозмущенного ридберговского электрона. (Отметим, что вышеприведенное аналитическое выражение справедливо, вообще говоря, лишь при достаточно малом отношении e/e.)

В заключение, укажем две важные физические системы, в которых можно было бы наблюдать эффект магнито-стимулированной диффузии. Во-первых, это эксперименты с ультрахолодной плазмой, создаваемой путем лазерного охлаждения и ионизации атомов в магнито-оптических ловушках [1]; поскольку при свободном разлете и охлаждении такой плазмы образуется большое количество “вторичных” ридберговских атомов. Причем, особенно перспективными представляются планируемые в настоящее время эксперименты с легкими ионами, т.к. согласно формуле (1) коэффициент диффузии изменяется как 1/mi2.

Вторая потенциально интересная система относится к астрофизике. Это – холодные межзвездные облака HII, наблюдаемые по излучению в рекомбинационных радиолиниях [2]. В таких облаках главное квантовое число ридберговских атомов может достигать значений вплоть до 1000, что значительно больше, чем в лабораторных условиях.

Литература

Killian T.C., Pattard T., Pohl T., Rost J.M. Physics Reports, 2007, v.449, p.77.

Gordon M.A., Sorochenko R.L. Radio Recombination Lines: Their Physics and Astronomical Applications, Dordrecht: Kluwer, 2002.