[論文レビュー] The $(HeH)^{2+}$ and $He_2^{3+}$ exotic molecular ions can exist in a strong magnetic field

Alexander V. Turbiner, J. C. López Vieyra|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2004

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本稿は理論的に、非常に強い磁場（$B \gtrsim 10^{12}$ Gおよび$B \gtrsim 2.35 \times 10^{11}$ G）下で、奇妙な分子イオン$(HeH)^{2+}$および$He_2^{3+}$が存在可能であることを示しており、磁場に起因する安定化によって結合エネルギーが増強されることを示している。磁場が強くなるにつれて、両イオンはより強く結合し、空間的にもよりcompactになる。さらに、$4.4 \times 10^{13}$ G付近では、$(H-He-H)^{3+}$のような高次系にも拡張される。

ABSTRACT

The Coulombic systems $(\\al p e)$ and $(\\al\\al e)$, $(\\al p p e)$, $(\\al \\al p e)$ and $(Li^{3+} Li^{3+} e)$ placed in a magnetic field $B \\gtrsim 10^{11} {G}$ are studied. It is demonstrated a theoretical existence of the exotic ion $(He H)^{2+}$ in parallel configuration (the magnetic field is directed along internuclear axis) for $B\\gtrsim 10^{12} {G}$. As for the exotic ion ${\ m He}_{2}^{3+}$ it is shown that in spite of strong electrostatic repulsion of $\\al-$particles it can exist in parallel configuration for $B \\gtrsim 100 {a.u.} (= 2.35\ imes 10^{11} {G})$ in the state $1\\si_g$ (ground state) as well as in the excited states $1\\pi_u, 1\\sigma_g$. With magnetic field growth, both exotic ions become more and more tightly bound and compact. It seems at the edge of applicability of non-relativistic approximation, $B \\sim 4.414 \ imes 10^{13}$ G, three more exotic linear ions $(H-He-H)^{3+}$, $(He-H-He)^{4+}$ and $Li_2^{5+}$ in parallel configuration may also exist.

研究の動機と目的

• 極めて強い磁場下における奇妙な分子イオンの安定性と存在可能性を調査すること。
• \alpha粒子と陽子からなるクーロン系が、強い磁場下で束縛状態を形成できるかどうかを特定すること。
• $He_2^{3+}$のような高電荷・反発的分子イオンが磁場強度によってどのように安定化されるかを探索すること。
• 非相対論的近似の有効範囲を越える極限の磁場条件下で、より奇妙な線形イオンの存在を予測するための分析を拡張すること。

提案手法

• 外部磁場下における奇妙な分子イオンの電子構造をモデル化するために、非相対論的量子力学を用いる。
• 核運動と電子運動を分離するためにBorn-Oppenheimer近似を適用し、核の位置を固定する。
• 磁場下でのエネルギー準位および束縛状態を計算するために変分法を適用する。
• 平行磁場配置下での$He_2^{3+}$の$1\sigma_g$、$1\pi_u$、および$1\sigma_g$状態を分析する。
• 磁場強度$B$の関数として結合エネルギーおよび空間的compactnessを評価する。
• 非相対論的近似の限界に近い領域において、$(H-He-H)^{3+}$、$(He-H-He)^{4+}$、および$Li_2^{5+}$の存在可能性を予測するように分析を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $(HeH)^{2+}$イオンは、強い磁場下で安定な束縛状態を形成できるか？
• RQ2 $He_2^{3+}$は、$\alpha$粒子同士の強い反発があるにもかかわらず、磁場によって安定化されるか？
• RQ3 磁場強度が増加すると、これらの奇妙なイオンの結合エネルギーおよびcompactnessはどのように変化するか？
• RQ4 非相対論的近似が有効であるとされる磁場強度の上限は何か？
• RQ5 $(H-He-H)^{3+}$や$Li_2^{5+}$のような高次線形イオンは、極限の磁場下で存在可能か？

主な発見

• $(HeH)^{2+}$イオンは、$B \gtrsim 10^{12}$ Gの平行磁場配置下で存在可能であると予測されている。
• $He_2^{3+}$イオンは、$B \gtrsim 2.35 \times 10^{11}$ Gの条件下で$1\sigma_g$基底状態および$1\pi_u$、$1\sigma_g$励起状態で安定化されている。
• 磁場が強くなるにつれて、$(HeH)^{2+}$および$He_2^{3+}$の両方がより強く束縛され、空間的にもよりcompactになる。
• $(H-He-H)^{3+}$、$(He-H-He)^{4+}$、および$Li_2^{5+}$の3つの追加の奇妙な線形イオンが、$B \sim 4.414 \times 10^{13}$ Gの非相対論的近似の限界付近で存在可能である。
• これらのイオンの存在は、磁場が核間軸に平行に整列している（平行配置）場合に限定される。
• 分析の結果、$10^{11}$–$10^{13}$ Gの範囲の磁場が、ランダウ準位化と磁場誘起結合によって、もともとは反発的または束縛されていない分子イオンを安定化できることが示唆されている。