ФИЗИКА ЗАРЯЖЕННЫХ АТОМНЫХ КЛАСТЕРОВ. СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ НАНОАТОМЫ

К настоящему времени разработаны и практически реализованы различные способы ускорения микро- и макрочастиц, ионов атомов и элементарных частиц (электроны, протоны). К таким способам относятся ускорение заряженных частиц в линейных ускорителях и в круговых ускорителях (циклотроны и синхротроны). Наибольшие мощности и интенсивности достигнуты на данный момент для ионных пучков в импульсном режиме. Задача получения высокоэнергетических потоков ионов молекул и наночастиц является к настоящему времени значительно менее изученной и представляет большой научный и практический интерес с точки зрения исследования взаимодействия таких потоков с веществом, в том числе в области термоядерных параметров.

Особый интерес представляет случай, когда в качестве ускоряемых электрическим полем частиц используются заряженные до предельного заряда наноуглеродные частицы (фуллерены C₆₀^+Z, нанотрубки и кластеры из таких объектов — C_N^+Z, где N — полное число атомов углерода, Z — целочисленный заряд наночастицы). Эти наночастицы обладают уникальными физическими свойствами, позволяющими получить значительно более высокие значения удельного заряда по сравнению с достигнутыми на сегодняшний день для микрочастиц. В силу, с одной стороны, более высоких прочностных свойств таких объектов по сравнению с частицами, состоящими из других материалов, а с другой стороны — в силу большей величины напряженности предельного электрического поля возникновения автоионной эмиссии на поверхности углеродной частицы (что приводит к большему предельному заряду такой частицы), можно получить значительно большее значение удельного заряда частицы (отношение заряда к массе частицы) и тем самым увеличить скорость и энергию ускоряемых электрическим полем частиц, не изменяя параметры самого ускорительного устройства.

Молекулярная структура фуллерена C₆₀ 

Углеродная одностенная нанотрубка — лист графена (монослой со структурой графитовой плоскости), свернутый в цилиндр

В ИБРАЭ РАН проводятся теоретические исследования возможности ускорения заряженных углеродных наночастиц до высоких энергий, то есть анализируется задача получения интенсивных потоков заряженных высокоэнергетических нанокластеров (фуллеренов, луковичных фуллеренов, фуллеритов, нанотрубок и потоков нанотрубок) с целью: их использования для решения задач термоядерного синтеза; генерации экстремальных состояний вещества при взаимодействии пучков заряженных углеродных наночастиц с веществом; получения и исследования свойств и применения вещества при сверхвысокой концентрации энергии в виде горячей плазмы с температурой порядка 1÷10 кэВ и плотностью порядка плотности конденсированного состояния (10²² см^-3).

Использование интенсивных потоков высокоэнергетических углеродных наночастиц для решения задач, перечисленных выше, является принципиально новым направлением развития науки и технологии. Теоретический анализ и сравнение с экспериментальными данными показывает, что использование заряженных наночастиц на основе углерода C₆₀^+Z (фуллерены, нанотрубки, кластеры) позволяет достичь значения скорости 1.0×10⁷ м/с и кинетической энергии на атом 8 МэВ при эффективном ускоряющем потенциале 108 В.

Другим направлением является исследование электронных спектров заряженных фуллеренов и луковичных структур. Построены простые физические модели, в рамках которых продемонстрировано существование системы дискретных короткоживущих объемно-локализованных квантовых уровней в потенциалах самосогласованного поля заряженного фуллерена и луковичного фуллерена. Для электронов, с использованием как аналитических, так и численных методов, показано наличие объемно-локализованных квантовых уровней в диапазоне энергий от 1 до 100 эВ. Экспериментальное подтверждение структуры спектра объемно-локализованных состояний представляет значительный интерес для решения практических задач, включая развитие новых источников когерентного излучения в широком диапазоне длин волн.

Объемно-локализованные квантовые состояния для заряженного фулллерена  C₆₀⁺⁵

© лаборатория теоретической физики