煙臺南山學(xué)院智能科學(xué)與工程學(xué)院、科技與數(shù)據(jù)學(xué)院的唐田田、姚建剛團(tuán)隊運(yùn)用經(jīng)典閉合軌道理論 (COT) 深入探究了擴(kuò)展量子阱中的氫負(fù)離子的光剝離動力學(xué)，推導(dǎo)出了相應(yīng)的光剝離截面 (PCS) 表達(dá)式。其成果發(fā)表于中科院《物理學(xué)報》雜志上（ Vol. 74, No. 2 2025）。
在過去的幾十年里，對量子阱中離子的研究一直備受矚目。當(dāng)這些粒子被束縛在微尺寸的空間內(nèi)時，它們的物理特性會展現(xiàn)出與自由狀態(tài)下截然不同的面貌，這種顯著的差異主要源于求解量子波函數(shù)時邊界條件的變化。這些受限的離子或原子系統(tǒng)，在光臺球、量子點(diǎn)或量子線等多個領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。
該團(tuán)隊將研究范圍拓展至運(yùn)動量子阱中的氫負(fù)離子體系。相較于靜止的量子阱體系，運(yùn)動的彈性壁有特定的速率，導(dǎo)致剝離電子與彈性阱壁碰撞后的動量發(fā)生變化。與兩個阱壁碰撞返回的電子波和初射電子波之間的干涉導(dǎo)致截面振蕩，因此，氫負(fù)離子光剝離截面在擴(kuò)展量子阱中展現(xiàn)出更為復(fù)雜的動態(tài)特性。鑒于氫負(fù)離子的薛定諤運(yùn)動方程具備可解性，數(shù)學(xué)分析得以簡化。采用半經(jīng)典閉合軌道理論和理論模型成像方法，深入研究了移動邊界問題中氫負(fù)離子的光剝離動力學(xué)，并推導(dǎo)出了該體系的光剝離截面近似公式。
詳細(xì)闡述光剝離電子的理論模型，并對經(jīng)典運(yùn)動進(jìn)行深入分析；著重推導(dǎo)擴(kuò)展量子阱中氫負(fù)離子的光剝離截面公式；深入探討擴(kuò)展量子阱中氫負(fù)離子光剝離截面的計算結(jié)果；
下圖顯示了三維振蕩截面σosc與離子到下阱壁初始距離Z20以及量子阱擴(kuò)展速率v之間的關(guān)系?？梢钥吹剑?dāng)下阱壁接近離子時，阱寬越窄, 電子被局域的空間越狹小，電子受到的量子約束越強(qiáng)，電子的量子化能級越高，其對離子的影響顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致截面上的振蕩振幅增大。隨著離子與下阱壁初始距離Z20的增大，即當(dāng)阱寬增大時，電子受到的量子約束效應(yīng)就會減弱，電子的量子化能級也就越低, 量子阱對離子的σosc的影響逐漸減弱。因此，通過調(diào)整擴(kuò)展量子阱阱寬，可以有效地控制負(fù)離子的光剝離行為。
振蕩截面σosc與離子到下阱壁的初始距離Z20以及擴(kuò)展量子阱阱壁的移動速率的關(guān)系，上阱壁的初始距離Z10 = 100 a.u.，兩阱壁的移動速率為 = 0.005 a.u。
通過對剝離電子的閉合軌道進(jìn)行研究，給出了閉合軌道周期的解析表達(dá)式?；诎虢?jīng)典閉合軌道理論，推導(dǎo)出了該體系的光剝離截面，它是一個光滑的背景項和一個由電子與量子阱兩阱壁碰撞引起的振蕩項的疊加。計算結(jié)果顯示，PCS 受到擴(kuò)展速率、兩阱壁初始距離即阱寬的影響。當(dāng)量子阱處于靜態(tài)時，光剝離截面呈現(xiàn)出規(guī)則的鋸齒狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)阱壁開始移動時，這種規(guī)則的鋸齒結(jié)構(gòu)變得不規(guī)則。隨著阱壁移動速率的增加，PCS 中的振蕩結(jié)構(gòu)逐漸減弱。對于非對稱擴(kuò)展的量子阱，移動阱壁對負(fù)離子的PCS的影響比對稱擴(kuò)展量子阱更為顯著。此外，當(dāng)阱寬越窄，電子被局域的空間越狹小，電子受到的量子約束越強(qiáng)，截面上的振蕩振幅越大，當(dāng)阱寬增大時，電子受到的量子約束效應(yīng)就會減弱，截面上的振蕩振幅減弱，當(dāng)阱寬增大到一定程度時，量子阱不再體現(xiàn)出明顯的量子約束效應(yīng)，光剝離截面趨于光滑背景項。
此項研究成果對于表面物理領(lǐng)域具有重要的參考價值，豐富了對運(yùn)動量子阱中負(fù)離子光剝離動力學(xué)的理解，并為未來在動態(tài)量子阱中負(fù)離子光剝離動力學(xué)的實(shí)驗研究提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。同時，研究也可作為在具有運(yùn)動邊界的外部環(huán)境中捕獲和調(diào)控離子及原子的實(shí)驗研究的參考依據(jù)。
論文鏈接：https://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.74.20240618
