新的高能密度物理研究提供了关于宇宙的见解

时间:2020-04-26 15:19 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

新的高能密度物理研究提供了关于宇宙的见解

原子和分子在极端的温度和压力下表现非常不同。虽然这种极端物质并不存在于地球上,但它在宇宙中大量存在,尤其是在行星和恒星的内部深处。了解原子在高压条件下的反应——这一领域被称为高能密度物理(HEDP)——为科学家提供了宝贵的见解,使他们能够深入了解行星科学、天体物理学、聚变能和国家安全等领域。

高能辐射科学领域的一个重要问题是,在高压条件下,物质如何以不同于我们传统理解的方式发射或吸收辐射。

在一篇发表在《自然通讯、Suxing胡,一个杰出的科学家和HEDP理论组的组长罗彻斯特大学的实验室激光能量(米歇尔),与同事一起从米歇尔和法国,有应用物理理论和计算预测的存在两个新的phenomena-interspecies辐射跃迁(红外热成像)和偶极子选择的细分规则传输HEDP条件下辐射的原子和分子。这项研究增强了对HEDP的理解,并可能带来更多关于恒星和其他天体在宇宙中如何演化的信息。

什么是种间辐射过渡(Irt)?

辐射跃迁是一个发生在原子和分子内部的物理过程,在这个过程中,它们的电子或电子可以通过辐射或吸收光子从不同的能级“跃迁”。科学家们发现,对于我们日常生活中的物质来说,这种辐射转变主要发生在每个原子或分子内部;电子在属于单个原子或分子的能级之间跳跃,而这种跳跃通常不会发生在不同的原子和分子之间。

然而,胡和他的同事们预测,当原子和分子被置于拥挤的条件下,它们被挤压得非常紧密,彼此之间会变得非常接近,辐射跃迁可能涉及相邻的原子和分子。

“也就是说,电子现在可以从一个原子的能级跃迁到邻近原子的能级,”Hu说。

什么是偶极子选择规则?

原子内部的电子具有特定的对称性。例如,“s波电子”总是球对称的,这意味着它们看起来像一个球,原子核位于原子中心;另一方面,“p波电子”看起来像哑铃。d波和其他电子态有更复杂的形状。当电子跃迁遵循所谓的偶极子选择规则,即跃迁电子的形状从横波变为纵波,从纵波变为d波等时,辐射跃迁就会发生。

在正常的、非极端的条件下,Hu说,“人们很难看到电子通过发射或吸收光子,在相同的形状之间跳跃,从一个纵波跳到另一个纵波,从一个纵波跳到另一个纵波。”

然而,正如胡和他的同事们所发现的那样,当物质被如此紧密地挤压到奇特的HED态时,偶极子选择规则常常被打破。

胡说:“在恒星中心发现的这种极端条件下,以及在实验室进行的各种聚变实验中,可以发生非偶极子x射线的发射和吸收,这是以前从未想象过的。”

使用超级计算机研究Hedp

研究人员使用了罗切斯特大学综合研究计算中心(CIRC)和LLE的超级计算机进行计算。

“由于高能激光和脉冲功率技术的巨大进步,‘把恒星带到地球’在过去的一二十年里已经成为了现实,”胡说。

胡和他的同事使用密度泛函理论(DFT)进行研究,DFT提供了复杂系统中原子和分子间键的量子力学描述。DFT方法在20世纪60年代首次被提出,并成为1998年诺贝尔化学奖的主题。自那以后,DFT的计算得到了不断的改进。LLE的科学家、该论文的合著者瓦伦丁?卡拉瑟夫(Valentin Karasev)在使DFT计算涉及到核心电子方面做出了这样的改进。

结果表明,在这些极端物质体系的x射线谱中出现了新的发射/吸收谱线,它们来自于以前未知的红外光谱通道和偶极子选择规则的破坏。

胡和菲利普·尼尔森,LLE的资深科学家和论文的合著者,目前正在计划未来的实验,包括在LLE的OMEGA激光设备上测试这些新的理论预测。该设备允许用户在纳秒级的时间尺度内创建奇异的环境,允许科学家在极端条件下探测物质的独特行为。

胡教授说:“如果这些新发现被实验证明是正确的,那么它们将深刻地改变目前在高能辐射材料中如何处理辐射传输的问题。”“这些dft预测的新发射和吸收通道在教科书中从未被考虑过。”

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