Атомы и молекулы ведут себя по-разному при экстремальных температурах и давлениях. Хотя такая крайняя материя не существует естественным образом 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 о таких областях, как планетология, астрофизика, энергия синтеза и национальная безопасность.
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. Предсказать наличие двух новых явлений - межвидового радиационного перехода (ИРТ) 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 (ИРТ)?
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, Ху и его коллеги предсказывают, что, когда атомы и молекулы находятся в условиях HED, и сжаты настолько сильно, что они 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 сферически симметричны, то есть они выглядят как шар, а ядро находится 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, не экстремальных 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 так сильно сжаты в экзотическое состояние 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», - 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 « привнесение 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 с экстремальными материями появляются новые линии испускания / поглощения, полученные из ранее неизвестных каналов IRT 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, то эти новые открытия глубоко изменят характер переноса излучения».