Атомы и молекулы ведут себя очень по-разному при экстремальных температурах и давлениях. Хотя такая экстремальная материя не существует естественным образом на Земле, она существует в изобилии во Вселенной, особенно в глубоких интерьерах планет и звезд. Понимание того, как атомы реагируют в условиях высокого давления - область, известная как физика высокой плотности энергии (ФВЭП), - дает ученым ценные знания в области планетарной науки, астрофизики, энергии синтеза и национальной безопасности.
Один из важных вопросов в области науки о ХЭД - это то, как материя в условиях высокого давления может испускать или поглощать излучение, которое отличается от нашего традиционного понимания.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, выдающийся ученый и руководитель группы теории HEDP в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета (ЛЛЭ) Саксин Ху вместе с коллегами из ЛЛЭ и Франции применил теорию физики и расчеты для предсказания наличия двух новых явлений - межвидового радиационного перехода (ИРТ) и нарушения правила селекции диполей - при переносе излучения в атомах и молекулах в условиях HEDP. Эти исследования углубляют понимание HEDP и могут привести к получению дополнительной информации о том, как развиваются звезды и другие астрофизические объекты во Вселенной.
ЧТО ТАКОЕ МЕЖВИДОВОЙ РАДИАЦИОННЫЙ ПЕРЕХОД (IRT)?
Радиативный переход - это физический процесс, происходящий внутри атомов и молекул, в котором их электрон или электроны могут "прыгать" от различных энергетических уровней, излучая/излучая или поглощая фотон. Ученые обнаружили, что, по большому счету, в нашей повседневной жизни такие радиационные переходы чаще всего происходят внутри каждого отдельного атома или молекулы; электрон совершает прыжок между энергетическими уровнями, принадлежащими отдельному атому или молекуле, и прыжок обычно не происходит между различными атомами и молекулами.
- Однако Ху и его коллеги предсказывают, что когда атомы и молекулы помещаются в условия HED и сжимаются настолько плотно, что они становятся очень близко друг к другу, в лучевых переходах могут участвовать соседние атомы и молекулы.
"А именно, электроны теперь могут перепрыгивать с энергетических уровней одного атома на уровни других соседних атомов", - говорит Ху.
КАКОЕ ПРАВИЛО ВЫБОРА ДИПОЛЕЙ?
- Электроны внутри атома имеют специфическую симметрию. Например, "s-волновые электроны" всегда сферически симметричны, означая, что они выглядят как шар, с ядром, расположенным в центре атома; "p-волновые электроны", с другой стороны, выглядят как гантели. D-волны и другие электронные состояния имеют более сложные формы. Радиативные переходы будут происходить главным образом тогда, когда прыгающий электрон следует так называемому правилу выбора диполей, в котором прыгающий электрон изменяет свою форму от s-волны к p-волне, от p-волны к d-волне и т.д.
В нормальных, не экстремальных условиях, говорит Ху, "едва ли можно увидеть электроны, прыгающие среди одинаковых форм, из s-волны в s-волну и из p-волны в p-волну, испуская или поглощая фотоны".
Однако, как обнаружили Ху и его коллеги, когда материалы так плотно сжимаются в экзотическом состоянии HED, правило выбора диполей часто нарушается.
"В таких экстремальных условиях, встречающихся в центре звезд и классах лабораторных экспериментов по синтезу, могут происходить недипольные рентгеновские излучения и поглощения, чего раньше и представить себе не могли", - говорит Ху.
ИСПОЛЬЗУЯ СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХЕДЖИРОВАНИЯ
- Исследователи использовали суперкомпьютеры как в Центре интегрированных вычислений исследований Университета Рочестера (CIRC), так и в LLE для проведения своих вычислений.
- "Благодаря огромным достижениям в области высокоэнергетических лазеров и технологий импульсной мощности, "привнесение звезд на Землю" стало реальностью за последние десять-два десятилетия", - говорит Ху.
Ху и его коллеги провели свои исследования, используя расчёт по плотностно-функциональной теории (DFT), которая предлагает квантово-механическое описание связей между атомами и молекулами в сложных системах. Впервые метод DFT был описан в 1960-х годах и стал предметом Нобелевской премии по химии 1998 года. С тех пор расчеты DFT постоянно совершенствовались. Одно из таких усовершенствований, позволяющее проводить расчеты DFT с участием электронов ядра, было сделано Валентином Карасевым, ученым LLE и соавтором статьи.
Результаты показывают, что в рентгеновских спектрах этих экстремальных систем материи появляются новые линии излучения/поглощения, которые поступают из ранее неизвестных каналов ИРТ и нарушения правила выбора диполей.
В настоящее время Ху и Филипп Нильсон, старший научный сотрудник LLE и соавтор статьи, планируют проведение будущих экспериментов, в ходе которых будут опробованы эти новые теоретические прогнозы на лазерной установке OMEGA на LLE. Установка позволяет создавать экзотические условия HED в наносекундах, что дает возможность ученым исследовать уникальное поведение материи в экстремальных условиях.
"Если эти новые открытия будут доказаны экспериментами, они коренным образом изменят подход к переносу излучения в настоящее время в экзотических материалах ХЭД", - говорит Ху. "Эти новые каналы излучения и поглощения, предсказанные DFT, до сих пор никогда не рассматривались в учебниках".
