Ny forskning i fysik med høj energitæthed giver indsigt om universet

Atomer og molekyler opfører sig meget forskelligt ved ekstreme temperaturer og tryk. Selvom et sådant ekstremt stof ikke eksisterer naturligt på jorden, det findes i overflod i universet, især i det dybe indre af planeter og stjerner. At forstå, hvordan atomer reagerer under højtryksforhold - et felt kendt som højenergidensitetsfysik (HEDP) - giver videnskabsmænd værdifuld indsigt i planetvidenskabens områder, astrofysik, fusionsenergi, og national sikkerhed.

Et vigtigt spørgsmål inden for HED-videnskab er, hvordan stof under højtryksforhold kan udsende eller absorbere stråling på måder, der er forskellige fra vores traditionelle forståelse.

I et blad udgivet i Naturkommunikation , Suxing Hu, en fremtrædende videnskabsmand og gruppeleder af HEDP Theory Group ved University of Rochester Laboratory for Laser Energetics (LLE), sammen med kolleger fra LLE og Frankrig, har anvendt fysikteori og beregninger til at forudsige tilstedeværelsen af ​​to nye fænomener - interspecies radiative transition (IRT) og nedbrydningen af ​​dipolselektionsreglen - i transporten af ​​stråling i atomer og molekyler under HEDP-forhold. Forskningen øger forståelsen af ​​HEDP og kan føre til mere information om, hvordan stjerner og andre astrofysiske objekter udvikler sig i universet.

Hvad er Interspecies Radiative Transition (Irt)?

Radiativ overgang er en fysikproces, der sker inde i atomer og molekyler, hvor deres elektron eller elektroner kan "springe" fra forskellige energiniveauer ved enten at udstråle/udsende eller absorbere en foton. Forskere finder ud af, at for sagens skyld i vores hverdag, sådanne strålingsovergange sker for det meste inden for hvert enkelt atom eller molekyle; elektronen springer mellem energiniveauer, der tilhører det enkelte atom eller molekyle, og springet sker typisk ikke mellem forskellige atomer og molekyler.

Imidlertid, Hu og hans kolleger forudsiger, at når atomer og molekyler placeres under HED-forhold, og bliver klemt så hårdt, at de kommer meget tæt på hinanden, strålingsovergange kan involvere tilstødende atomer og molekyler.

"Nemlig elektronerne kan nu hoppe fra et atoms energiniveauer til andre naboatomers energiniveau, " siger Hu.

Hvad er dipoludvælgelsesreglen?

Elektroner inde i et atom har specifikke symmetrier. For eksempel, "s-bølge elektroner" er altid sfærisk symmetriske, hvilket betyder, at de ligner en bold, med kernen placeret i atomcentret; "p-bølge elektroner, " på den anden side, ligne håndvægte. D-bølger og andre elektrontilstande har mere komplicerede former. Radiative overgange vil for det meste forekomme, når elektronspringet følger den såkaldte dipoludvælgelsesregel, hvor den springende elektron ændrer sin form fra s-bølge til p-bølge, fra p-bølge til d-bølge, etc.

Under normalen, ikke-ekstreme forhold, Hu siger, "man ser næsten ikke elektroner hoppe mellem de samme former, fra s-bølge til s-bølge og fra p-bølge til p-bølge, ved at udsende eller absorbere fotoner."

Imidlertid, som Hu og hans kolleger fandt, når materialer presses så stramt ind i den eksotiske HED-tilstand, dipoludvælgelsesreglen er ofte nedbrudt.

"Under sådanne ekstreme forhold fundet i centrum af stjerner og klasser af laboratoriefusionseksperimenter, ikke-dipole røntgenemissioner og absorptioner kan forekomme, som man aldrig havde forestillet sig før, " siger Hu.

Brug af supercomputere til at studere Hedp

Forskerne brugte supercomputere på både University of Rochesters Center for Integrated Research Computing (CIRC) og på LLE til at udføre deres beregninger.

"Takket være de enorme fremskridt inden for højenergilaser- og pulserende energiteknologier, 'at bringe stjerner til Jorden' er blevet virkelighed i det sidste årti eller to, " siger Hu.

Hu og hans kolleger udførte deres forskning ved hjælp af density-functional theory (DFT) beregning, som giver en kvantemekanisk beskrivelse af bindingerne mellem atomer og molekyler i komplekse systemer. DFT-metoden blev først beskrevet i 1960'erne, og var genstand for Nobelprisen i kemi i 1998. DFT-beregninger er løbende blevet forbedret siden. En sådan forbedring for at gøre det muligt for DFT-beregninger at involvere kerneelektroner blev lavet af Valentin Karasev, en videnskabsmand ved LLE og en medforfatter af papiret.

Resultaterne indikerer, at der er nye emissions-/absorptionslinjer, der dukker op i røntgenspektrene af disse ekstreme stofsystemer, som er fra de hidtil ukendte kanaler af IRT og nedbrydningen af ​​dipoludvælgelsesreglen.

Hu og Philip Nilson, en senior videnskabsmand ved LLE og medforfatter af papiret, planlægger i øjeblikket fremtidige eksperimenter, der vil involvere afprøvning af disse nye teoretiske forudsigelser på OMEGA-laseranlægget på LLE. Faciliteten lader brugere skabe eksotiske HED-forhold på nanosekunders tidsskalaer, giver videnskabsfolk mulighed for at undersøge sagernes unikke adfærd under ekstreme forhold.

"Hvis det viser sig at være sandt ved eksperimenter, disse nye opdagelser vil dybt ændre, hvordan strålingstransport i øjeblikket behandles i eksotiske HED-materialer, "Hu siger. "Disse DFT-forudsagte nye emissions- og absorptionskanaler er aldrig blevet overvejet hidtil i lærebøger."