Д. ф.-м. н. Алексей Грум-Гржимайло и к. ф.-м. н. Елена Грызлова
Соавторы статьи об исследовании атомного фотоэффекта с разделением изотопов, опубликованной в журнале Physical Review Letters, физики НИИЯФ МГУ, доктор физико-математических наук Алексей Грум-Гржимайло и кандидат физико-математических наук Елена Грызлова рассказали о работе, о том, что их побудило разработать тему и какие она открывает новые горизонты.
Корр.: В чём суть вашей работы, о которой была опубликована статья в рейтинговом журнале?
Алексей Грум-Гржимайло: Давайте, я начну. Для меня история этой работы с атомом ксенона началась больше 15-ти лет назад. Суть дела состоит в следующем. Когда электронная оболочка атома имеет ненулевой угловой момент, то она создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным моментом ядра. На научном жаргоне говорят о взаимодействии углового момента электронной оболочки со спином ядра. Это взаимодействие очень-очень слабенькое (оно потому и называется сверхтонким), но оно влияет на направление поляризации электронной оболочки атома, заставляя его прецессировать. При этом поляризация электронной оболочки, если первоначально поляризация существовала, частично теряется. Это приводит к тому, что мы имеем совершенно разные результаты в некоторых, казалось бы, чисто атомных процессах, в зависимости от того, учитывается ли сверхтонкое взаимодействие или не учитывается. Один из таких процессов – атомный фотоэффект. Например, оказываются совершенно разными угловые распределения электронов, вылетающих из атома под действием света.
Елена Грызлова: Угловое распределение – это просто вероятности вылета электрона под разными углами, то есть электроны могут вылетать равновероятно по всем направлениям, а могут образовывать некую фигуру. Фигура сильно зависит от поляризации электронной оболочки. В нашем случае эта форма меняется от «ромашки» из четырёх лепестков до круга, если говорить об измерениях в одной плоскости.
Алексей Грум-Гржимайло: Получается, что Вы измеряете приборами электроны, которые под действием света вылетают из атома, а то, как они вылетают, критическим образом зависит от очень-очень слабого взаимодействия, которое на много порядков слабее, чем взаимодействие электрона с ядром, с другими электронами и с облучающим атом светом. Это кажется неким парадоксом, на самом деле. Поэтому, когда получили первые экспериментальные результаты, то некоторые из них выглядели, хотя и ожидаемо, но всё равно удивительно, потому что с «обывательской» точки зрения кажется, что не должно быть разницы с каким из изотопов того же ксенона проводить эксперимент по атомному фотоэффекту.
Оказывается, разница очень сильная, потому что спин ядра очень слабо, но действует на поляризацию электронного облака, а от неё уже в свою очередь зависит угловое распределение вылетающих электронов. Не только угловое распределение электронов, вылетающих из атома при фотоэффекте, зависит от поляризации электронной оболочки, а и целый ряд других наблюдаемых величин, например, угловое распределение и поляризация флуоресценции, которую испускает атом, когда атомный электрон переходит из возбуждённого состояния в нижележащее. Кстати, противоположное воздействие, а именно электронной оболочки на поляризацию ядра, давно используется в реализованном в своё время в НИИЯФ В.С. Шпинелем, А.А. Сорокиным и их коллегами методе возмущённых угловых корреляций гамма-квантов для исследований ближайшего электронного окружения ядер в конденсированных средах. Эти работы достаточно активно продолжаются и сейчас Г.К. Рясным, А.В. Цвященко в лаборатории ядерно-спектроскопических методов.
Корр.: В чём личный вклад каждого из вас?
Алексей Грум-Гржимайло: С ксеноном у меня история давняя, и было много статей, а непосредственно для этой работы я сделал первые формульные прикидки влияния сверхтонкого взаимодействия, потом я уже меньше принимал участия в этой работе – на уровне консультанта. Елена Грызлова подключилась и начала проводить динамические расчёты, потому что когда фотоэффект удалось измерить с разделением изотопов и выделить результаты для изотопов с нулевым спином ядра, то оказалось, что модели атомного фотоэффекта для возбуждённого ксенона, которые до сих пор использовались, – не работают. И нужно было улучшать модель для описания, собственно, атомной части. И Елене удалось улучшить модель, подмешать необходимые электронные конфигурации и так далее. Она может лучше сама об этом рассказать.
Елена Грызлова: Если говорить о личном вкладе, то теоретиков в этой работе всего два – я и Алексей Николаевич. И наш вклад не надо делить. Теоретическое описание включало в себя разные аспекты. Во-первых, получить общее выражение для угловых распределений – формулу. Во-вторых, подставить в них конкретные параметры для нужных состояний ксенона и амплитуды конкретных переходов. То есть нужно было сначала получить аналитические выражения, потом поставить в них конкретные спектроскопические параметры. Я бы сказала, всё, что связано с аналитическим подходом, мы получали в две руки. После мы сравнили.
Корр.: Что мотивировало исследовать никем неизученный вопрос?
Алексей Грум-Гржимайло: Я бы не сказал «никем неизученный». Сам-то эффект давно обсуждался в литературе, и физика тут вполне понятная. Скорее, этот вопрос стал «наболевшим». Как уже говорилось, мы должны учитывать поляризацию электронной оболочки, но она оказывается плохо определенной из-за сверхтонкого взаимодействия. Такая неконтролируемость поляризации приводит к разным последствиям. В частности, в ряде случаев нельзя было исследовать в подробностях такой фундаментальный процесс, как оже-эффект, когда информация об оже-эффекте извлекается из флуоресценции иона, который остается после оже-распада.
Для того чтобы интерпретировать результаты, полученные экспериментально, необходимо было прибегать к каким-то иногда плохо обоснованным представлениям, которые бы учитывали в атомных процессах деполяризацию электронной оболочки при её взаимодействии c магнитным моментом ядра. Это мешало установить правильность той или иной атомной модели для описания таких чисто атомных явлений, как угловое распределение электронов при атомном фотоэффекте, или оже-эффекте. И в моей практике было достаточно много работ, где деполяризация как-то учитывалась для интерпретации данных, и какие-то результаты получались, но вопрос-то всё равно оставался. Особенно безобразно дело обстояло с атомом ксенона в возбуждённых состояниях, с которым имели дело многие эксперименты и соответствующие теоретические расчёты. И это, честно говоря, просто «достало».
И вот решили провести эксперимент, где этот ядерный спин был бы как-то изолирован. Как я уже сказал, это актуально для тех атомов, где ядерный спин ненулевой и электронная оболочка имеет ненулевой угловой момент. Более трёх лет назад группа экспериментаторов из пяти человек - хорошие знакомые по старым совместным работам из Франции, Германии, Италии - начала готовить эксперименты. Они очень сложные, но, тем не менее, удались. Их обработка заняла большое время. Публикация, о которой мы говорим, - первая.
Корр.: Как скоро статья была принята для публикации?
Алексей Грум-Гржимайло: Из тех работ, которые у меня были опубликованы в этом журнале, их примерно с десяток, эта прошла наиболее легко. То есть все рецензенты сразу написали, что «Да, это заслуживает…». Это бывает очень редко в Physical Review Letters по атомной тематике. Для физиков это показатель того, что работа действительно представляет большой интерес и служит началом какого-то направления. Я ожидаю, что после этой работы появятся другие работы по атомным процессам, где проводится селекция изотопов по ядерному спину.
Корр.: Например, какие новые работы могут быть сделаны?
Алексей Грум-Гржимайло: Например, то же самое можно сделать на том же, кстати, ксеноне по исследованию оже-эффекта, где тоже этот ядерный спин «достал». Кроме того, я думаю, что возможно изучение в этом ключе процессов медленных атомных столкновений, где поляризация электронных оболочек влияет на реакцию. А эта поляризация зависит, как мы уже говорили, от ядерного спина…
Елена Грызлова: Ещё появилась возможность определения констант сверхтонкого взаимодействия для случая, когда уровни сверхтонкой структуры в атоме перекрываются. Когда они хорошо изолированы, то константы можно измерить, а когда эти уровни частично перекрываются, то уже трудно - уровни сливаются в один. В нашей работе было предложено, как можно извлечь константу сверхтонкого взаимодействия, измеряя угловое распределение электронов в фотоэффекте для разных изотопов и сравнивая эти распределения между собой. Ведь, например, в атоме ксенона шесть изотопов с тремя разными значениями спина. Кстати, мы извлекли одну неизвестную до этого константу.
Корр.: Вы упомянули, что ксенон наиболее привлекателен для эксперимента, а вот именно чем он привлекателен?
Алексей Грум-Гржимайло: Тут несколько моментов. Прежде всего, на ксеноне было много работ до этого уже сделано, и вопрос с деполяризацией его возбуждённых состояний стоял уже очень остро. То есть для ксенона сильные предпосылки были - расчёты, эксперименты. Ксенон уже достаточно хорошо был изучен, но без учёта вот этого самого эффекта взаимодействия ядерного спина с угловым моментом электронной оболочки. А почему ксенон и до этого был так хорошо изучен? Потому что ксенон - инертный газ, который удобен для эксперимента, он практически ни с чем не взаимодействует, установку не забивает, не нужно никакой печки, чтобы пары создавать, так как он итак уже газ. А если брать какой-то металл, то нужна печь с высокими температурами. Ксенон не вступает в реакции в отличие от других газов, а многие атомарные газы сразу в молекулы слипаются и так далее.
И для теории ксенон удобен. С одной стороны ксенон - это развитая многоэлектронная система, где можно применять разные модели и смотреть, как хорошо они описывают эксперимент. С другой стороны - не такая сложная система, как тяжёлый атом с открытой оболочкой. Ксенон - это такая традиционная для атомной физики мишень, которая активно изучается уже более 40 лет, наверняка. Но самое главное для нас тут, конечно, что в ксеноне есть стабильные изотопы с разными ядерными спинами. А вот у неона и аргона, например, стабильные изотопы имеют только нулевой спин ядра.
Елена Грызлова: В природном ксеноне много стабильных изотопов, на самом деле их в эксперименте разделено было восемь, но два из них присутствуют с очень низкой концентрацией.
Корр.: Расскажите об эксперименте.
Алексей Грум-Гржимайло: Для того чтобы провести этот эксперимент, необходим был синхротронный источник третьего поколения для создания достаточного числа атомов ксенона в возбуждённом состоянии, то есть источник вакуумного ультрафиолетового излучения, интенсивный, с изменяющейся поляризацией, монохроматичный. Таких пучков в мире сейчас очень немного - десятки. В России пучков такого качества нет. Эксперимент проводился на французском синхротроне SOLEIL. Такой источник – это накопительное кольцо, в котором крутятся сгустки электронов, проходящие ондуляторы, где и формируется излучение.
А фотоионизация производилась пучком оптического лазера. Лазер в оптическом диапазоне - в этом нет ничего экзотического. Более экзотическим было то, что эти два пучка – из накопительного кольца и лазера – совместили так, чтобы они дружно работали. Кроме того, использовались современные приборы для регистрации угловых распределений вылетающих электронов, которые перекрывали полную сферу, проводя одновременно их селекцию по энергии. Наконец, нужно было обеспечение, с помощью которого было бы известно из какого изотопа вылетел конкретный регистрируемый электрон. Для этого проводилась масс-спектроскопия образующихся ионов ксенона, которые регистрировались «на совпадения» с электронами. Похоже, что такая схема была применена впервые. Этот эксперимент потребовал двух недель измерений. Две недели практически непрерывной работы для четырёх-пяти человек.
Елена Грызлова: Экспериментаторы провели грандиозную работу и измерили очень много параметров, в частности, для разных поляризаций синхротронного излучения и лазера, а также для разных геометрий. Здесь также появилась потребность в теоретиках, потому что для некоторых специфических геометрий неизвестно даже сколько и какие параметры надо извлекать из полученных данных.
Сейчас пишется большая статья. Она будет больше, чем опубликованная, и посвящена она будет полному обзору всех возможных поляризаций и их возможных ориентаций. Здесь теории необходимо идти немного впереди и предлагать формулу, по которой будут извлекаться данные, а потом уже эти извлеченные из эксперимента данные будут сопоставлены с теоретическими.
Корр.: Желаю вам в этой работе дальнейших успехов!
Алексей Грум-Гржимайло и Елена Грызлова: Спасибо! С наступающим Вас и всех сотрудников НИИЯФ Новым годом!