Теоретическое исследование свойств и структуры ядер с использованием атомно-молекулярных систем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-72-10019

НазваниеТеоретическое исследование свойств и структуры ядер с использованием атомно-молекулярных систем

Руководитель Скрипников Леонид Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" , Ленинградская обл

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-304 - Спектроскопия

Ключевые слова магнитные и электрические моменты, ядерный магнитный резонанс, электронная структура, сверхтонкая структура, релятивистские эффекты

Код ГРНТИ29.29.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Благодаря прорывному развитию экспериментальной техники манипулирования атомами и молекулами такие системы всё чаще становятся "лабораториями" для изучения различных физических явлений, прецизионному измерению фундаментальных физических констант, проверке теорий фундаментальных взаимодействий, тестированию теории ядерной структуры. Такие системы используются для построения атомных часов, поиска эффектов вариации фундаментальных постоянных, выступают элементами построения квантовых компьютеров. Многозарядные ионы тяжелых элементов используются для тестирования квантовой электродинамики (КЭД) [Nature Communications 8, 15484 (2017); Приложение, слайд 1] . Однако во многих случаях возникают проблемы, связанные с недостаточно хорошим знанием структуры и свойств ядра (см. приложение, слайды 2,3). Это становится причиной наибольших погрешностей предсказания атомных и молекулярных свойств, которые зависят от свойств ядра. Анализ литературы показывает, что эти погрешности сильно недооценены, а иногда и вовсе игнорируются, что ведёт к “парадоксам” и “загадкам” (см. ниже). На настоящий момент не удаётся получить с достаточной точностью свойства ядер исходя из прямых квантовомеханических расчётов ядерной структуры. Особенно, это касается свойств тяжёлых ядер. Но именно атомные и молекулярные системы, содержащие такие ядра, представляют наибольший интерес: многие рассматриваемые эффекты (зависимость положений термов, эффекты несохранения чётности, КЭД) наиболее ярко выражены именно в таких соединениях. В работе [L.V. Skripnikov et al, "New nuclear magnetic moment of 209Bi: Resolving the bismuth hyperfine puzzle", Phys. Rev. Lett., 120, 093001 (2018)] нами была решена проблема (см. приложение, слайд 5), связанная с расхождением между теоретическими предсказаниями специальной разности сверхтонких расщеплений в многозарядных ионах [V.M. Shabaev et al, Phys. Rev. Lett. 86, 3959 (2001)] и экспериментальными данными, получившая название "hyperfine puzzle" [Nature Communications 8, 15484 (2017)]. Дело оказалось в неверном "стандартном" значении магнитного момента ядра 209Bi, которое приводится в справочниках и литературе с очень маленькой погрешностью. Этот магнитный момент был получен при неправильной интерпретации экспериментальных данных по ядерному магнитному резонансу (Приложение, слайд 2), вызванной очень грубыми оценками константы экранирования (при этом погрешность расчётов была занижена на несколько порядков). См. также заметку о нашей статье https://physicsworld.com/a/has-the-hypefine-puzzle-been-solved/. Новое значение магнитного момента разрешило установленный "hyperfine puzzle”. Согласно предварительному анализу литературных данных, в справочниках приводятся сильно заниженные погрешности для значений магнитных моментов не только для ядра 209Bi, но, например, и для ядер 203Tl, 205Tl, 207Pb, 185Re, 187Re, 199Hg, 197Au и др. Между тем, для нескольких из этих ядер были выполнены эксперименты по измерению сверхтонких расщеплений в водородоподобных ионах, одной из целей которых было тестирование предсказаний КЭД в сильных полях. Погрешность значений магнитных моментов этих ядер, фактически, сводит на нет подобные предсказания, т.к. вклад эффектов КЭД может быть меньше такой погрешности, как это было в случае 209Bi. Знание точных значений магнитных моментов важно и для других областей. В частности, в задачах поиска эффектов нарушения симметрий фундаментальных взаимодействий в атомах и молекулах в качестве теста точности расчёта волновой функции используется теоретически предсказанная величина сверхтонкого расщепления уровней. Однако, погрешность таких предсказаний напрямую зависит от погрешности использованной величины магнитного момента (что в большинстве случаев вообще игнорируется и все погрешности списываются на погрешность волновой функции). Ещё один пример – это тестирование предсказаний ядерной теории. Например, в работе [R. Sen’kov and V. Dmitriev, Nucl. Phys. A706, 351 (2002)] предсказывается величина эффекта распределения намагниченности в ядре. Однако, и эти предсказания зависят от величины магнитного момента, что не позволяет прямо проверить точность данных предсказаний. В данном проекте будет развита теория для систематического уменьшения погрешности извлекаемых значений магнитных моментов. Она будет основана по развитии релятивистской теории связанных кластеров для вычисления констант экранирования, которые необходимы для извлечения значений магнитных моментов из данных ЯМР. При этом будут учтены и проанализировано и влияние эффектов распределения намагниченности в ядре и даже КЭД эффекты. Нам не известно ни одной работы других групп теоретиков, которые выполняли бы расчёты констант экранирования в соединениях тяжёлых элементов на таком уровне теории (в лучших работах других групп используется теория функционала плотности, точность которой заметно ниже). Применение развитой в проекте теории позволит получить уникальные по точности данные по магнитным моментам ядер тяжелых элементов. Это позволит разрешить отклонения теоретических предсказаний, в которых использовались неточные табличные данные, с экспериментом. В проекте предполагается рассмотреть также и ранее малоисследованные свойства ядер. В частности, предлагается предложить эксперимент по изменению квадрупольного распределения нейтронов в ядре с использованием молекул. Насколько нам известно, ранее такое свойство ядра никогда не измерялось. Будут развиты методы полностью релятивистских четырёхкомпонентных расчётов электронной структуры молекул, требуемые для предсказания соответствующего эффекта в свойствах и спектрах молекул, из которых можно будет извлечь требуемую величину. В работе [Phys. Rev. A 96, 012516 (2017)] этот эффект был рассмотрен для атомов. Однако, молекулы могут оказаться значительно более перспективными системами для таких исследований, т.к. в них есть близколежащие уровни, что необходимо для таких измерений. В проекте впервые будут развиты методы, позволяющие оценить влияние конечного распределения намагниченности ядра на константы экранирования и сверхтонкие расщепления в молекулах. Это позволит вывести на принципиально новый уровень точности предсказания по сверхтонкой структуре, что необходимо для тестирования методов предсказания других свойств молекул, которые требуются для интерпретации экспериментов по измерению фундаментальных свойств электрона и др. частиц с использованием молекул [L.V. Skripnikov, A.V. Titov, Phys. Rev. A 91, 042504 (2015)].

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Флейг Т., Скрипников Л.В. P,T -Violating and Magnetic Hyperfine Interactions in Atomic Thallium Symmetry, 12(4), 498 (2020) (год публикации - 2020)
10.3390/sym12040498

2. Просняк С.Д., Майсон Д.Е., Скрипников Л.В. Hyperfine structure in thallium atom: Study of nuclear magnetization distribution effects Journal of Chemical Physics, J. Chem. Phys. 152, 044301 (2020) (год публикации - 2020)
10.1063/1.5141090

3. Скрипников Л.В., Мосягин Н.С., Титов А.В., Фламбаум В.В. Actinide and lanthanide molecules to search for strong CP-violation Physical Chemistry Chemical Physics, Phys.Chem.Chem.Phys., 22, 18374 (2020) (год публикации - 2020)
10.1039/D0CP01989E

4. Скрипников Л.В. Nuclear magnetization distribution effect in molecules: Ra+ and RaF hyperfine structure Journal of Chemical Physics, J. Chem. Phys. 153, 114114 (2020) (год публикации - 2020)
10.1063/5.0024103

5. Майсон Д.Е., Фламбаум В.В., Хатцлер Н.Р., Скрипников Л.В. Electronic structure of the ytterbium monohydroxide molecule to search for axionlike particles Physical Review A, Phys. Rev. A 103, 022813 (2021) (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevA.103.022813

6. Просняк С.Д., Скрипников Л.В. Effect of nuclear magnetization distribution within the Woods-Saxon model: Hyperfine splitting in neutral Tl Physical Review C, Phys. Rev. C 103, 034314 (2021) (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevC.103.034314

7. Скрипников Л.В., Олейниченко А.В., Зайцевский А.В., Майсон Д.Е., Барзах А.Е. Relativistic Fock space coupled-cluster study of bismuth electronic structure to extract the Bi nuclear quadrupole moment PHYSICAL REVIEW C, Phys. Rev. C 104, 034316 (2021) (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevC.104.034316

8. Барзах А., ..., Майсон Д.Е., Олейниченко А.В., Скрипников Л.В.... Large Shape Staggering in Neutron-Deficient Bi Isotopes PHYSICAL REVIEW LETTERS, Phys. Rev. Lett. 127, 192501 (2021) (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevLett.127.192501

9. Майсон Д.Е., Скрипников Л.В., Олейниченко А.В., Зайцевский А.В. Axion-mediated electron–electron interaction in ytterbium monohydroxide molecule The Journal of Chemical Physics, J. Chem. Phys. 154, 224303 (2021) (год публикации - 2021)
10.1063/5.0051590

10. Зайцевский А, Скрипников Л.В., Мосягин Н.С, Исаев Т, Бергер Р, Брейер А.А., Гисен Т.Ф. Accurate ab initio calculations of RaF electronic structure appeal to more laser-spectroscopical measurements The Journal of Chemical Physics, J. Chem. Phys. 156, 044306 (2022) (год публикации - 2022)
10.1063/5.0079618

11. Пенязьков Г, Скрипников Л.В., Олейниченко А.В., Зайцевский А.В. Effect of the neutron quadrupole distribution in the TaO+ cation Chemical Physics Letters, Chem. Phys. Lett. 793, 139448 (2022) (год публикации - 2022)
10.1016/j.cplett.2022.139448

12. Фелла В, Скрипников Л.В., Нотерхаузер В., Бушнер М.Р., Дебнер Х.Л., Клаус Ф., Привалов А.Ф., Шабаев В.М., Вогель М Magnetic moment of 207Pb and the hyperfine splitting of 207Pb81+ Physical Review Research, Phys. Rev. Research 2, 013368 (2020) (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevResearch.2.013368

13. Майсон Д.Е., Скрипников Л.В. Static electric dipole moment of the francium atom induced by axionlike particle exchange Phys. Rev. A, Phys. Rev. A 105, 032813 (2022) (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevA.105.032813

14. Скрипников Л.В., Просняк С.Д. Refined nuclear magnetic dipole moment of rhenium: 185Re and 187Re arxiv, arXiv:2204.13015 [physics.atom-ph] (год публикации - 2022)
10.48550/arXiv.2204.13015

15. Скрипников Л.В., Просняк С.Д. Refined nuclear magnetic dipole moment of rhenium: 185Re and 187Re Physical Review C, Phys. Rev. C 106, 054303 (2022) (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevC.106.054303

Публикации