Θωράκιση Pauli και ανεπάρκεια του κανόνα της στατιστικής των σπιν

Θωράκιση Pauli και ανεπάρκεια του κανόνα της στατιστικής των σπιν

Ένα νέο φαινόμενο θωράκισης, συνέπεια της Aπαγορευτικής Αρχής του Pauli, που καλείται «θωράκιση Pauli» (Pauli shielding), ανακαλύφθηκε σε μελέτες ταχέων κρούσεων ιόντων με άτομα. Τα πειράματα διεξήχθησαν στο εργαστήριο του επιταχυντή Tandem 5.5 MV του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» από την ομάδα Ατομικής Φυσικής του Καθηγητή Θεόδωρου Τζούρου με τους υποψήφιους διδάκτορες Ιωάννη Μαδέση και Άγγελο Λαουτάρη από το Πανεπιστήμιο Κρήτης, σε συνεργασία με τον Καθηγητή του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων Μανώλη Μπενή. Θεωρητικοί υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν από την ομάδα του Καθηγητή Alain Dubois με τον υποψήφιο διδάκτορα Jun Wen Gao του Πανεπιστημίου της Σορβόννης στο Παρίσι. Η παρούσα έρευνα έδειξε ότι η θωράκιση Pauli διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην θεμελιώδη διαδικασία της σύλληψης ηλεκτρονίου, καταδεικνύοντας την ανεπάρκεια του κανόνα της στατιστικής των σπιν στον εποικισμό των εμπλεκόμενων καταστάσεων. Η διαδικασία της σύλληψης ηλεκτρονίου, όπως και ο κανόνας της στατιστικής των σπιν, παρέχουν σημαντικές πληροφορίες που χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, στην κατανόηση και μοντελοποίηση του αστροφυσικού κι εργαστηριακού πλάσματος, όπως και των βιολογικών φαινομένων και της θεραπείας με ιοντικές δέσμες.

Χρησιμοποιώντας ταχείες δέσμες ιόντων άνθρακα δύο ηλεκτρονίων στην διεγερμένη κατάσταση 1s2s 3S σε κρούσεις με αέριο στόχο ηλίου (He) επιτυγχάνεται ο εποικισμός της 1s2s2p ηλεκτρονικής διάταξης στις καταστάσεις 1s2s2p 4P, 2P- και 2P+, μέσω της διαδικασίας σύλληψης ενός ηλεκτρονίου του στόχου στο τροχιακό 2p του ιόντος.

C4+(1s2s 3S) + He → C3+(1s2s2p 4P,2P±) + He+ (1)
 
Η δυναμική της διαδικασίας σύλληψης ηλεκτρονίου (1) μελετήθηκε μετρώντας τον λόγο R των ενεργών διατομών παραγωγής της τετραπλής κατάστασης (4P) προς το άθροισμα των δύο διπλών (2P- και 2P+) καταστάσεων. Χρησιμοποιήθηκε φασματοσκοπία ηλεκτρονίων υψηλής ευκρίνειας για την μέτρηση της έντασης των φασματικών γραμμών, που προκύπτουν από την αποδιέγερση Auger των καταστάσεων 1s2s2p 4P, 2P± στην βασική κατάσταση 1s2, από τις οποίες και προσδιορίσθηκε ο λόγος R.
 

Εικόνες: [Αριστερά] Φάσματα ηλεκτρονίων Auger υψηλής ευκρίνειας από δύο διαφορετικά μείγματα της κατάστασης C4+ (1s2, 1s2s 3S) των ιόντων άνθρακα σε κρούσεις με He. Η διαφορά μεταξύ των δυο φασμάτων (περιοχές με σκίαση) δίνουν την συνεισφορά μόνο της 1s2s 3S συνιστώσας, επιτρέποντας τον προσδιορισμό του λόγου R (λόγος των κίτρινων προς γκρι περιοχών). [Δεξιά] Ο λόγος R για κρούσεις C4+(1s2s 3S) με He (πάνω) και H2 (κάτω). Παρούσα εργασία: θεωρία (με μαύρο), πειραματικά αποτελέσματα (με μπλε). Παλαιότερα αποτελέσματα από άλλες ομάδες παρουσιάζονται με κόκκινο.

Νέοι ab initio υπολογισμοί της δυναμικής αλληλεπίδρασης του συστήματος, λαμβάνοντας υπόψη τρία ενεργά ηλεκτρόνια και πλήρη αλληλεπίδραση ηλεκτρονικών διατάξεων, εφαρμόστηκαν στο πρόβλημα για πρώτη φορά. Ο λόγος R που προέκυψε βρέθηκε σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα, αφότου συμπεριελήφθησαν και οι συνεισφορές εποίκησης της κατάστασης 1s2s2p 4P από ανώτερες ενεργειακές στάθμες, μέσω του φαινομένου της αλληλουχίας τροφοδοσίας (cascades).

Το ουσιαστικό αποτέλεσμα της μελέτης είναι ότι ακόμη και στο ελάχιστο χρονικό διάστημα (≈3-25×10-18 s) στο οποίο συντελείται η κρούση, η δυναμική της διαδικασίας σύλληψης ηλεκτρονίου δεν περιγράφεται ικανοποιητικά από τις μέχρι σήμερα εφαρμοζόμενες προσεγγίσεις (pure spin statistics και frozen core) που λαμβάνουν υπόψη ένα ενεργό ηλεκτρόνιο. Έντονα φαινόμενα συσχέτισης μεταξύ των τριών ενεργών ηλεκτρονίων φαίνεται να διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο. Πράγματι, η μελέτη έδειξε ότι, λόγω της θωράκισης Pauli, η εποίκηση της κατάστασης 1s2s2p 2P- δεν μπορεί να συντελεστεί, και επιτυγχάνεται μόνο μέσω των ασθενέστερων σπιν-σπιν αλληλεπιδράσεων.

Δημοσίευση: “Pauli Shielding and Breakdown of Spin Statistics in Multielectron, Multi-Open-Shell Dynamical Atomic Systems” by I. Madesis, A. Laoutaris, T.J.M. Zouros, E.P. Benis, J.W. Gao, and A. Dubois, Phys. Rev. Lett. 124, 113401 (2020).