Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Данный междисциплинарный проект, имея своей целью построение строгих квантовомеханических моделей, способных описать на требуемом (экспериментальном) уровне точности наблюдаемые энергетические, радиационные и столкновительные свойства астрохимически важных атомов и молекул, предполагает объединить усилия нашей научной группы, работающей на кафедре квантовой механики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета и специализирующейся в области релятивистской квантовой теории атомов и молекул и квантовой электродинамики (КЭД), и наших коллег с кафедры лазерной химии химического факультета Московского государственного университета, занимающихся количественной интерпретацией астрохимических наблюдений. Проект посвящен развитию и применению высокоточных релятивистских методов квантовомеханического моделирования фундаментальных физико-химических свойств атомов, молекул и квазимолекул, а также вычислению сечений различных процессов в ион-атомных столкновениях. Данные расчеты имеют большое значение для однозначной интерпретации прецизионных спектральных измерений, связанных с аэрохимическими и астрохимическими наблюдениями. Текущий уровень точности спектроскопических экспериментальных данных предъявляет беспрецедентно высокие требования к точности теоретических методов и подходов, в которых безусловно необходим обязательный учет тонких релятивистских эффектов, а также КЭД поправок. Для решения этих задач в текущем отчетном периоде метод наложения конфигураций в базисе орбиталей Дирака-Фока-Штурма (CI-DFS), который ранее применялся к релятивистским расчетам атомов, многозарядных ионов и одноэлектронных квазимолекул, обобщен с целью проведения расчетов электронной структуры многоэлектронных молекул и молекулярных ионов. Базис DFS обладает рядом преимуществ по сравнению с более простыми базисами орбиталей гауссовского и слейтеровского типа, которые традиционно используются в квантовой химии. Базис DFS является более компактным и существенно более эффективным при описании процессов с участием остовных электронов. Разработанным методом проведены тестовые расчеты адиабатических кривых для энергий связи и дипольных моментов важных с точки зрения астрофизики молекул CO и СN. Несмотря на то, что тестовые расчеты выполнены в небольшом базисе, наблюдается качественное согласие с данными других авторов. В дальнейшем мы планируем оптимизировать программный код, провести систематические расчеты и исследовать влияние корреляционных, релятивистских и КЭД эффектов. Для учета КЭД поправок в молекулах и молекулярных ионах мы опирались на два независимых релятивистских метода, развитых в нашей группе. Один из них основан на использовании базиса численных орбиталей Дирака-Фока-Штурма (DFS), другой - на использовании обобщенного псевдоспектрального метода (GPS) в вытянутых сфероидальных координатах. Оба метода были модифицированы с целью учета КЭД поправок методом модельного КЭД потенциала, также развитого в нашей группе [V.M. Shabaev I.I. Tupitsyn, V.A. Yerokhin, Phys. Rev. A 88, 012513 (2013)]. Тестовые расчеты КЭД вкладов в полную энергию были выполнены для двухатомных квазимолекул Th_{2}^{179+} и U_{2}^{183+}. Результаты расчета разными методами находятся в хорошем согласии друг с другом. Помимо этого, нами проведены систематические расчеты адиабатических потенциалов и функций дипольного момента основного состояния молекул CO и CN в рамках метода связанных кластеров (CC), реализованного в программном пакете DIRAС и его расширении EXP-T. Вычисления выполнены с учетом одно, двух- и впервые с полным учетом трeхкратных возбуждений. С этой целью были проведены широкомасштабные систематические расчeты для широкого диапазона параметров, что дало возможность аккуратно оценить зависимость получаемых результатов от используемых приближений, размеров базисного набора, наличия так называемых диффузных функций, числа активных электронов, и размера виртуального пространства. Высокоточные квантово-химические расчеты структурно-динамических параметров молекул CO и СN, выполненные методом связанных кластеров для больших межъядерных расстояний, были дополнены результатами многоконфигурационного метода усредненных связанных пар, реализованного в программном комплексе MOLPRO. На основании полученных теоретических результатов и прецизионных экспериментальных данных об интенсивности наблюдаемых колебательно-вращательных переходов была восстановлена полуэмпирическая функция электрического дипольного момента для основного электронного состояния молекулы CO. В комбинации с полуэмпирической функцией потенциальной энергии эти данные были использованы для обновления списка линий всех известных нерадиоактивных изотопологов молекулы CO в широком диапазоне колебательных и вращательных квантовых чисел. Для радикала СN данные неэмпирических квантово-химических расчетов были применены для построения строгой неадиабатической модели, учитывающей внутримолекулярные взаимодействия между низколежащими дублетными электронными состояниями. Полученные в результате решения обратной задачи структурно-динамические параметры позволили описать наблюдаемые энергетические и радиационные свойства исследуемых молекул на необходимом уровне точности. Кроме того, для В-Х системы радикала СN были рассчитаны радиационные времена жизни ровибронных уровней с учетом как локальных, так и регулярных спин-орбитальных взаимодействий. Наконец, был разработан алгоритм релятивистского расчета процессов низкоэнергетических ион-атомных столкновений в рамках нестационарной теории функционала плотности с помощью обобщенного псевдоспектрального метода в вытянутых сфероидальных координатах. Разработанным методом выполнен тестовый расчет процесса столкновения голого ядра урана с нейтральным атомом урана в одноэлектронном приближении. Нами была рассмотрена динамика 1s электрона изначально нейтрального атома в поле ядер и электронной оболочки атома. На данном этапе экранирующий потенциал был выбран статическим и соответствующим нейтральному атому урана. Нами были вычислены вероятности захвата 1s электрона в стационарные состояния, локализованные на голом ядре урана. Кроме этого, была оценена вероятность ионизации из K-оболочки в результате столкновения. Расчеты проводились для лобовых столкновений при энергиях налетающего ядра, соответствующих как докритическому, так и сверхкритическому режимам. Вероятность перехода 1s электрона с мишени на снаряд составила от 29% до 75% в зависимости от энергии снаряда, что свидетельствует о достаточно большой вероятности сохранения вакансии во внутренней оболочке квазимолекулы во время столкновения, а, значит, достаточно высокой вероятности рождения электрон-позитронных пар в столкновениях такого рода.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Данный междисциплинарный проект объединяет усилия нашей научной группы, работающей на кафедре квантовой механики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета и специализирующейся в области релятивистской квантовой теории атомов и молекул и квантовой электродинамики (КЭД), и усилия наших коллег с кафедры лазерной химии химического факультета Московского государственного университета, занимающихся количественной интерпретацией астрохимических наблюдений, с целью построения строгих квантовомеханических моделей, способных описать на требуемом (экспериментальном) уровне точности наблюдаемые энергетические, радиационные и столкновительные свойства астрохимически важных атомов и молекул. Проект посвящен развитию и применению высокоточных релятивистских методов квантовомеханического моделирования фундаментальных физико-химических свойств атомов, молекул и квазимолекул, а также вычислению сечений различных процессов в ион-атомных столкновениях. Данные расчеты имеют большое значение для однозначной интерпретации прецизионных спектральных измерений, связанных с аэрохимическими и астрохимическими наблюдениями. Текущий уровень точности спектроскопических экспериментальных данных предъявляет беспрецедентно высокие требования к точности теоретических методов и подходов, в которых безусловно необходим обязательный учет тонких релятивистских эффектов, а также КЭД поправок. Для решения поставленных в проекте задач за отчетный период нашим коллективом были проведены систематические высокоточные квантово-химические расчеты функции потенциальной энергии, собственного дипольного момента и дипольных моментов перехода в молекулах СО, СN. Основными методиками решения многоэлектронной релятивистской задачи при неэмпирическом расчете корреляционной энергии послужили развиваемый в нашей группе метод наложения конфигураций в базисе орбиталей Дирака-Фока-Штурма и метод связанных кластеров (в том числе в пространстве Фока). Последний метод с полным учетом двух- и трехкратных кластерных амплитуд реализован в программных комплексах DIRAC и EXP-T. Мы также вычислили КЭД эффекты, используя методы на основе модельного КЭД оператора. Полученные результаты были дополнены расчетами функции потенциальной энергии и дипольного момента основного состояния СО в области больших межъядерных расстояний многоссылочными методами наложения конфигураций и усредненных связанных пар, реализованных в программном комплексе MOLPRO. Масс-инвариантный потенциал Борна-Оппенгеймера молекулы монооксида углерода был дополнен расчетами адиабатической поправки (так называемой «диагональной коррекцией»). Также было проведено вычисление неадиабатических матричных элементов, что позволило оценить влияние регулярных электронно-вращательных внутримолекулярных взаимодействий на массово- и угло-зависимую неадиабатическую поправку к вращательной энергии Борна-Оппенгеймера. В результате исследования выяснилось, что электронно-вращательные взаимодействия могут значительно влиять на функцию дипольного момента основного состояния и вероятности (особенно слабых) обертонных колебательно-вращательных переходов в молекуле CO только в случае ее сильного вращательного возбуждения. На основании рассчитанных релятивистских и КЭД поправок были выполнены оценки безразмерных коэффициентов чувствительности для основного и высокообертонных колебательных переходов основного изотопомера оксида углерода CO к возможной вариации параметра тонкой структуры alpha. Для тех же колебательных уровней и переходов получены первые оценки коэффициентов чувствительности к вариации отношения массы протона к массе электрона, что сделано с целью проверки возможности одновременного определения изменения m_p/m_e и alpha путем сопоставления астрономических спектров, соответствующих значительным красным смещениям, с их лабораторными (земными) аналогами. Методом модельного КЭД оператора выполнены расчеты КЭД поправок к энергиям ионизации щелочных металлов и имеющих соответствующие электронные конфигурации ионов. Продемонстрировано, что результаты расчетов практически не зависят от выбора начального приближения (способа построения локального экранирующего потенциала, моделирующего эффекты межэлектронного взаимодействия). Из результатов многоконфигурационных расчетов выделены различные порядки по модельному оператору и по остаточному взаимодействию. Осуществлены ab initio расчеты одно- и двухэлектронных диаграмм собственной энергии и вакуумной поляризации. Проведено сравнение результатов прецизионных и приближенных расчетов, на основе которого сделан вывод о возможности использовать модельный КЭД оператор для описания перекрестных КЭД и корреляционных эффектов. В рамках подхода, совмещающего первые два порядка КЭД теории возмущений и учет старших корреляционных вкладов в брейтовском приближении (КЭД вклады старших порядков учтены с помощью модельного КЭД оператора), выполнены высокоточные расчеты энергий 2p_{3/2}-2s перехода в гелие-, литие- и бериллиеподобном уране, а также всех возможных попарных разностей этих энергий. Получены наиболее точные теоретические предсказания для данных величин. Показана принципиальная возможность для проверки методов расчета многоэлектронных КЭД вкладов на уровне 3% в разности энергий переходов для U^{90+} и U^{89+,88+}. Были выполнены расчеты разностей энергий многократной ионизации изотопов ^{163}Ho и ^{163}Dy на требуемой для экспериментов по оценке массы электронного нейтрино точности с учетом КЭД вкладов. Продемонстрировано, что КЭД эффекты дают заметный вклад и получение надежных теоретических предсказаний невозможно без должного их учета. Также были выполнены расчеты энергий однократно возбужденных состояний и вероятностей ряда однофотонных переходов в гелиеподобном уране. В расчетах учтены корреляционные вклады в брейтовском приближении, КЭД поправки, эффекты отдачи ядра, поляризации ядра, деформации ядра. Метод релятивистского расчета квантовой динамики электронов в ион-атомных столкновениях в базисе орбиталей Дирака-Фока-Штурма обобщен на случай нестационарного экранирующего потенциала. Главная идея реализованного подхода в описании нестационарной экранировки заключается в использовании экранирующего сферически-симметричного замороженного DFT потенциала каждого из сталкивающихся ионов, но скорректированного с учетом полных зарядов (меняющихся во времени) каждого из ионов. Данный подход, в отличие от нестационарного метода Хартри-Фока или нестационарной теории функционала плотности, намного менее требователен к вычислительным ресурсам, является численно устойчивым, не содержит фундаментальной теоретической проблемы "проектирования", вследствие которой вероятности исследуемых процессов являются неустойчивыми и осциллируют во времени. Разработанным методом проведены тестовые расчеты на примере столкновения нейтрального неона с водородоподобным фтором (Ne-F^{8+}). Разработанный ранее метод расчета ион-атомных столкновений в вытянутых сфероидальных координатах обобщен на случай гетероядерных квазимолекул. Показано, что спонтанный механизм рождения позитронов может давать основной вклад в полную вероятность, если ограничить область прицельных параметров близкими столкновениями с большими углами рассеяния. Разработан метод расчета энергетических и угловых спектров позитронов путем проектирования волнового пакета вылетающих позитронов на релятивистские плоские волны. Показано, что угловые распределения позитронов являются практически изотропными, особенно для столкновений ядер в сверхкритическом режиме. Наконец, предложенный нами ранее сценарий для наблюдения свидетельств спонтанного рождения электрон-позитронных пар при переходе к сверхкритическому режиму исследован за рамками монопольного приближения. Продемонстрировано, что при учете немонопольных вкладов обнаруженные ранее признаки спонтанного распада вакуума не исчезают, а в отдельных случаях даже усиливаются.