Новое понимание экстремальной материи из исследований физики высоких энергий

Атомы и молекулы ведут себя очень по-разному при экстремальных температурах и давлениях. Хотя такая крайняя материя не существует в природе на земле, она существует в изобилии во вселенной, особенно в глубоких недрах планет и звезд. Понимание того, как атомы реагируют в условиях высокого давления — области, известной как физика с высокой плотностью энергии (HEDP), — дает ученым ценную информацию в областях науки о планетах, астрофизики, энергии синтеза и национальной безопасности.

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 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?

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 человека, 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, Ху и его коллеги предсказывают, что когда атомы и молекулы находятся в условиях ГЭД и сжимаются настолько сильно, что становятся очень близко друг к другу, радиационные переходы могут включать соседние атомы и молекулы.

«А именно, электроны теперь могут прыгать с уровней энергии одного атома на уровни других соседних атомов», — говорит Ху.

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 так далее.

В нормальных, неэкстремальных условиях, говорит Ху, 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, как обнаружил Ху и его коллеги, когда материалы настолько плотно сжаты в экзотическом состоянии ГЭД, 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», — говорит Ху.

Использование суперкомпьютеров для изучения HEDP

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

«Благодаря огромным достижениям в области высокоэнергетических лазерных и импульсных технологий, принесение звезд на Землю стало реальностью за последние десять или два года», — говорит Ху.

Ху и его коллеги 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. Одним из таких улучшений, позволяющих проводить расчеты DFT с участием электронов ядра, является Валентин Карасев, ученый из LLE и соавтор статьи.

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

Ху и Филипп Нильсон, старший научный сотрудник LLE и соавтор статьи, в настоящее время планируют будущие эксперименты, которые будут включать проверку этих новых теоретических предсказаний на лазерной установке OMEGA в LLE. Средство позволяет пользователям создавать экзотические условия HED в наносекундных временных масштабах, позволяя ученым исследовать уникальное поведение веществ в экстремальных условиях.

«Если эксперименты подтвердят наши догадки, то эти новые открытия глубоко изменят то, как перенос излучения в настоящее время рассматривается в экзотических материалах HED», — говорит Ху. «Эти предсказанные DFT новые каналы излучения и поглощения никогда не рассматривались в учебниках».

По материалам Scitechdaily

-=GadZZillA=-

Компьютерный системный администратор, веб-огородник, IT-шник, специалист по строительным материалам, создатель и администратор проекта "Лаборатория Рабочих Столов"

Вас также может заинтересовать...

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

 

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.