Новое исследование физики с высокой плотностью энергии

Атомы 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 атомы 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 звезды 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 электроны могут «прыгать» с разных энергетических уровней, излучая / испуская или поглощая фотон.

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

Что такое правило выбора диполя?

Электроны 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.

«Электроны p-волны», с другой стороны, выглядят как гантели. D-волны 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 электроны прыгают между одинаковыми формами, от s-волны к s-волне и от p-волны к p-волне, испуская или поглощая фотоны.

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».

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