Новое исследование физики с высокой плотностью энергии

Атомы и молекулы ведут себя очень по-разному при экстремальных температурах и давлениях.

0 982

и молекулы ведут себя очень по-разному при экстремальных температурах и давлениях.

Хотя материя в таких условиях не существует в природе на земле, она присутствует в изобилии во вселенной, особенно в глубоких недрах планет и звезд. Понимание того, как реагируют на условия высокого давления — области, известной как физика с высокой плотностью энергии (HEDP), — дает ученым ценную информацию в областях науки о планетах, астрофизики и энергии синтеза.

Одним из важных вопросов в области науки о HED является то, как материя в условиях высокого давления может излучать или поглощать излучение способами, отличными от нашего традиционного понимания.

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, Суксинг Ху, выдающийся ученый и руководитель группы теоретической группы HEDP в Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Рочестерского университета, вместе с коллегами из LLE и Франции применил физическую теорию и расчеты, чтобы предсказать наличие двух новых явлений — межвидового радиационного перехода (IRT) и нарушения правила отбора диполей — при переносе излучения в атомах и молекулах в условиях HEDP.

Исследование улучшает понимание HEDP и может дать больше информации о том, как и другие астрофизические объекты развиваются во вселенной.

Что такое межвидовой радиационный переход (IRT, Interspecies Radiative Transition)?

Радиационный переход — это физический процесс, происходящий внутри атомов и молекул, в котором их электрон или могут «прыгать» с разных энергетических уровней, излучая / испуская или поглощая фотон.

Смотрите также  Новые кубиты для создания более быстрых квантовых компьютеров

Ученые считают, что для материи в нашей повседневной жизни такие радиационные переходы в основном происходят внутри каждого отдельного атома или молекулы; электрон прыгает между уровнями энергии, принадлежащими одному атому или молекуле, и прыгание обычно не происходит между разными атомами и молекулами.

Тем не менее, ученые предсказывают, что, когда атомы и молекулы находятся в условиях HED, и сжаты настолько сильно, что находятся очень близко друг к другу, и радиационные переходы могут включать соседние атомы и молекулы.

А именно, теперь могут прыгать с уровней энергии одного атома на уровни других соседних атомов.

Что такое правило выбора диполя?

внутри атома имеют специфические симметрии. Например, «электроны s-волны» всегда являются сферически симметричными, то есть они выглядят как шар с ядром, расположенным в атомном центре.

« p-волны», с другой стороны, выглядят как гантели. D- и другие электронные состояния имеют более сложные формы. Радиационные переходы будут в основном происходить, когда прыжок электрона следует так называемому правилу выбора диполя, при котором прыгающий электрон меняет свою форму с s-волны на p-волну, с p-волны на d-волну и т. д.

В нормальных, неэкстремальных условиях, вряд ли можно увидеть, как прыгают между одинаковыми формами, от s- к s-волне и от p-волны к p-волне, испуская или поглощая фотоны.

Смотрите также  Нобелевская премия по физике 2020 года

Однако, когда материалы настолько плотно сжаты в экзотическом состоянии HED, правило выбора диполей часто нарушается.

«В таких экстремальных условиях, которые существуют в центре звезд и в классах лабораторных экспериментов по синтезу, могут возникать недипольные рентгеновские излучения и поглощения, чего раньше никогда не представлялось», — говорят исследователи.

Использование суперкомпьютеров 

Исследователи использовали суперкомпьютеры как в Центре интегрированных научных исследований (CIRC) Университета Рочестера, так и в LLE для проведения своих расчетов.

Ученые провели свое исследование, используя расчет теории функционала плотности (DFT), который предлагает квантово-механическое описание связей между атомами и молекулами в сложных системах.

Метод DFT был впервые описан в 1960-х годах и стал предметом Нобелевской премии 1998 года по химии. С тех пор расчеты DFT постоянно улучшаются. Одно из таких усовершенствований, позволяющее проводить расчеты DFT с участием электронов ядра, было сделано Валентином Карасевым, ученым из LLE и соавтором статьи.

Результаты показывают, что в рентгеновских спектрах этих систем экстремальных веществ появляются новые линии испускания / поглощения, полученные из ранее неизвестных каналов IRT и нарушения правила выбора диполей.

В настоящее время ученые планируют эксперименты, которые будут включать проверку этих новых теоретических предсказаний на лазерной установке OMEGA в LLE.

Устройство может создавать экзотические условия HED в наносекундных временных масштабах, позволяя ученым исследовать уникальное поведение веществ в экстремальных условиях.

«Если эксперименты подтвердят теоретические предсказания, новые открытия глубоко изменят то, как перенос излучения в настоящее время рассматривается в экзотических материалах HED», — говорит Ху. «Эти предсказанные DFT новые каналы эмиссии и поглощения никогда до сих пор не рассматривались в учебниках».

Смотрите также  Нобелевский лауреат Мишель Майор сказал, что люди не полетят на экзопланеты

S. X. Hu et al, Interspecies radiative transition in warm and superdense plasma mixtures, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15916-3

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x