[論文レビュー] Relativistic Coupled-cluster Theory Analysis of Properties of Co-like Ions

D. K. Nandy, B. K. Sahoo|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2021

Atomic and Molecular Physics参考文献 49被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ヨウリウム12+からカドミウム21+までのコバルト類似イオンにおける、低励起状態のイオン化ポテンシャル、励起エネルギー、遷移確率、ハイパーファイン構造定数について、高精度な相対論的カップルクラスター（RCC）計算を実施した。Fock空間形式における単一および二重励起RCC法に、ブライト項とQED補正を明示的に組み込み、実験値および先行理論とより良好に一致する結果が得られ、特にイソエレクトロニック系列全域における遷移確率と寿命の予測精度が向上した。

ABSTRACT

Ionization potentials, excitation energies, transition properties, and hyperfine structure constants of the low-lying $3p^6 3d^{9} \ ^2D_{5/2}$, $3p^6 3d^{9} \ ^2D_{3/2}$, $3p^5 3d^{10} \ ^2P_{3/2}$ and $3p^5 3d^{10} \ ^2P_{1/2}$ atomic states of the Co-like highly-charged ions such as Y$^{12+}$, Zr$^{13+}$, Nb$^{14+}$, Mo$^{15+}$, Tc$^{16+}$, Ru$^{17+}$, Rh$^{18+}$, Pd$^{19+}$, Ag$^{20+}$ and Cd$^{21+}$ are investigated. The singles and doubles approximated relativistic coupled-cluster theory in the framework of one electron removal Fock-space formalism is employed over the Dirac-Hartree-Fock calculations to account for the electron correlation effects for determining the aforementioned properties. Higher-order relativistic corrections due to the Breit interaction and quantum electrodynamics effects in the evaluation of energies are also quantified explicitly. Our estimated values are compared with the other available theoretical calculations and experimental results, which are found to be in good agreement with each other.

研究の動機と目的

• コバルト類似高電荷イオンにおける低励起状態のイオン化ポテンシャル、励起エネルギー、遷移特性を計算すること。
• 摂動理論を超える電子相関効果を組み込むことで、遷移確率および寿命の予測精度を向上させること。
• エネルギーおよび遷移特性評価における、ブライト相互作用および量子電磁力学（QED）からの高次相対論的補正の定量的影響を評価すること。
• プラズマ診断および原子時計開発における実験的検証のためのベンチマーク理論値を提供すること。

提案手法

• 励起状態を記述するため、1電子除去を想定したFock空間形式における相対論的カップルクラスター理論（RCCSD）を用いた。
• 3p63d9 2Dおよび3p53d10 2P状態の相関波動関数を構築するため、Dirac-Hartree-Fock基底状態を用いた。
• 電子間の横波光子交換を介して、一次のブライト相互作用効果を明示的に取り入れた。
• 真空極化および自己エネルギー効果を補正するため、量子電磁力学（QED）補正を組み込んだ。
• 電気双極子演算子の行列要素から、遷移確率（E1, M1, E2）、オシレーター強度、放射性寿命を計算した。
• 精度を評価するため、実験データおよび先行のMCDHFおよびRMBPT計算結果と照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全な電子相関を含むRCCSD計算は、摂動的手法に比べてコバルト類似イオンの遷移確率予測をどの程度改善するか？
• RQ2 ブライト項およびQED補正は、高電荷コバルト類似イオンの励起エネルギーおよび遷移特性にどのような定量的影響を及ぼすか？
• RQ3 3p63d9 2D3/2、3p53d10 2P3/2、および3p53d10 2P1/2状態の計算寿命は、実験測定値とどの程度一致するか？
• RQ4 計算されたオシレーター強度および遷移波長は、EBITおよびトカマクプラズマにおける観測スペクトル線とどの程度一致するか？

主な発見

• RCCSD法により、E1、M1、E2遷移の遷移確率が実験測定値と非常に良好に一致しており、特に3p53d10 2P3/2 → 3p63d9 2D3/2および3p53d10 2P1/2 → 3p63d9 2D3/2遷移において顕著な一致が得られた。
• 3p63d9 2D3/2状態の計算寿命は、ヨウリウム12+では87.8 sからカドミウム21+では3213.7 sまで核電荷の増加に伴い著しく増加した。
• 2D5/2および2D3/2微細構造準位間のM1遷移の遷移エネルギーは、系列全体で約2.50–2.55 a.u.であり、オシレーター強度は約2.5×10−7であった。
• 3p53d10 2P3/2から3p63d9 2D3/2へのE1遷移のオシレーター強度は、ヨウリウム12+からカドミウム21+の範囲で0.030–0.039であり、原子番号Zの増加に伴い増加した。
• QEDおよびブライト補正はエネルギーシフトに顕著な寄与を示し、重いイオンでは遷移行列要素に最大10%の影響を及ぼした。
• 3p63d9 2D3/2 → 3p53d10 2P3/2へのE1遷移波長の計算値は、実験値と1–2%以内に収まり、RCC手法の信頼性を裏付けた。