高能密度物理研究对极端问题的新见解

原子和分子在极端温度和压力下的行为有很大不同。尽管这种极端物质并不是自然存在于地球上的，但它存在于宇宙中的数量之多，尤其是在行星和恒星的深层内部。了解原子在高压条件下如何反应（这一领域称为高能密度物理学（HEDP）），为科学家提供了有关行星科学，天体物理学，聚变能和国家安全领域的宝贵见解。

在HED科学领域中的一个重要问题是，高压条件下的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《自然通讯》上发表的一篇论文中，罗彻斯特大学激光能量学实验室（LLE）的HEDP理论小组的杰出科学家兼小组负责人胡素兴与来自LLE和法国的同事一起应用了物理理论和计算预测在HEDP条件下原子和分子中的辐射传输中存在两种新现象-种间辐射跃迁（IRT）和偶极选择规则的破裂。这项研究增进了对HEDP的理解，并可能导致有关恒星和其他天体物体如何在宇宙中演化的更多信息。

什么是种间辐射过渡（IRT）？

辐射跃迁是发生在原子和分子内部的物理过程，其中，它们的一个或多个电子可以通过辐射/发射或吸收光子而从不同的能级“跳跃”。科学家发现，就我们日常生活中的物质而言，这种辐射跃迁大多发生在每个个体原子或分子内。电子会在属于单个原子或分子的能级之间进行跳跃，并且跳跃通常不会发生在不同原子和分子之间。

但是，胡和他的同事们预测，当原子和分子置于HED条件下并被紧密地挤压成彼此非常靠近时，辐射跃迁可能会涉及到相邻的原子和分子。

胡说：“也就是说，电子现在可以从一个原子的能级跃迁到其他相邻原子的能级。”

偶极子选择规则是什么？

原子内的电子具有特定的对称性。例如，“ s波电子”始终是球对称的，这意味着它们看起来像一个球，其原子核位于原子中心。另一方面，“ p波电子”看起来像哑铃。D波和其他电子态具有更复杂的形状。当电子跃迁遵循所谓的偶极子选择规则时，辐射跃迁将大部分发生，在跃迁中，跳跃的电子将其形状从s波更改为p波，从p波更改为d波等。

胡说，在正常的非极端条件下，“几乎不会看到电子通过发射或吸收光子从s波到s波以及从p波到p波在相同形状之间跳跃。”

但是，正如胡和他的同事们发现的那样，当材料被紧紧地挤压成奇异的HED状态时，偶极子选择规则通常会被打破。

胡说：“在恒星中心和实验室聚变实验类别中发现的这种极端条件下，会发生非偶极子X射线的发射和吸收，这是以前从未想象过的。”

使用超级计算机学习HEDP

研究人员使用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。

胡锦涛说：“由于高能激光和脉冲功率技术的巨大进步，在过去的一，二十年里，'将恒星带到地球'已成为现实。”

胡和他的同事们使用密度泛函理论（DFT）计算进行了研究，该理论提供了复杂系统中原子与分子之间的键的量子力学描述。DFT方法于1960年代首次被描述，是1998年诺贝尔化学奖的主题。此后，DFT计算得到了不断改进。LLE的科学家，论文的合著者Valentin Karasev进行了一项这样的改进，使DFT计算能够涉及芯电子。

结果表明，在这些极端物质系统的X射线光谱中出现了新的发射/吸收线，这些线来自于IRT先前未知的通道和偶极子选择规则的分解。

Hu和LLE的资深科学家Philip Nilson以及该论文的合著者目前正在计划未来的实验，这些实验将涉及在LLE的OMEGA激光设备上测试这些新的理论预测。该工具使用户可以在纳秒级的时间尺度上创建奇异的HED条件，从而使科学家能够探究物质在极端条件下的独特行为。

胡说：“如果通过实验证明是正确的，这些新发现将深刻改变目前在异质HED材料中处理辐射传输的方式。”“迄今为止，教科书中从未考虑过这些DFT预测的新的发射和吸收通道。”

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参考：S. X. Hu，V. V. Karasiev，V. Recoules，P.M. Nilson，N.Brouwer和M.Torrent，“自然和超稠密等离子体混合物中的种间辐射跃迁”，自然通信，DOI：
10.1038 / s41467-020-15916-3

这项研究基于美国能源部国家核安全局和纽约州能源研究与开发局的支持。这项工作得到了美国国家科学基金会的部分支持。

LLE于1970年在大学成立，是美国最大的以美国能源部大学为基础的研究计划。作为国家资助的设施，LLE在国家核安全局的“储备管理计划”的支持下进行内爆和其他实验，以探索聚变作为未来的能源，开发新的激光和材料技术，并进行研究并开发与HED现象有关的技术。