Одним из важных вопросов в области HEDP является то, как плазма испускает или поглощает излучение. Современные модели, описывающие перенос излучения в плотной плазме, в значительной степени основаны на теории, а не на экспериментальных данных.

n новая статья, опубликованная в Сообщения о природе Исследователи из Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера (LLE) использовали лазер OMEGA от LLE для изучения того, как излучение проходит через плотную плазму. Исследование, проведенное под руководством Суксинга Ху, выдающегося ученого и руководителя группы по теории физики высокой плотности энергии в LLE и адъюнкт-профессора машиностроения, и Филипа Нильсона, старшего научного сотрудника группы лазерно-плазменного взаимодействия LLE, обеспечивает первое в своем роде экспериментальные данные о поведении атомов в экстремальных условиях. Полученные данные будут использованы для улучшения моделей плазмы, которые позволят ученым лучше понять эволюцию звезд и могут помочь в реализации управляемого ядерного синтеза в качестве альтернативного источника энергии.

"Эксперименты с использованием управляемых лазером взрывов на ОМЕГЕ создали экстремальную материю при давлении, в несколько миллиардов раз превышающем атмосферное давление на поверхности Земли, чтобы мы могли исследовать, как атомы и молекулы ведут себя в таких экстремальных условиях", - говорит Ху. "Эти условия соответствуют условиям внутри так называемой оболочки белых карликов, а также мишеней для инерциального термоядерного синтеза".

Использование рентгеновской спектроскопии

Исследователи использовали рентгеновскую спектроскопию, чтобы измерить, как излучение переносится через плазму. Рентгеновская спектроскопия включает в себя направление пучка излучения в форме рентгеновских лучей на плазму, состоящую из атомов - в данном случае атомов меди - под экстремальным давлением и высокой температурой. Исследователи использовали ОМЕГА-лазер как для создания плазмы, так и для создания рентгеновских лучей, направленных на плазму.

Когда плазма бомбардируется рентгеновскими лучами, электроны в атомах "перепрыгивают" с одного энергетического уровня на другой, либо испуская, либо поглощая фотоны света. Детектор измеряет эти изменения, выявляя физические процессы, происходящие внутри плазмы, подобно рентгеновской диагностике сломанной кости.

Разрыв с общепринятой теорией

Экспериментальные измерения исследователей показывают, что, когда излучение проходит через плотную плазму, изменения уровней атомной энергии не соответствуют общепринятым теориям, используемым в настоящее время в моделях физики плазмы - так называемых моделях "понижения континуума". Вместо этого исследователи обнаружили, что измерения, которые они наблюдали в своих экспериментах, могут быть объяснены только с использованием самосогласованного подхода, основанного на теории функционала плотности (DFT). DFT 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 по химии 1998 года.

"Эта работа раскрывает фундаментальные шаги по переписыванию существующих в учебниках описаний того, как происходит генерация и перенос излучения в плотной плазме", - говорит Ху. "Согласно нашим экспериментам, использование самосогласованного подхода DFT более точно описывает перенос излучения в плотной плазме". Говорит Нилсон: "Наш подход мог бы обеспечить надежный способ моделирования генерации и переноса излучения в плотной плазме, встречающейся в звездах и инерциальных термоядерных мишенях. Описанная здесь экспериментальная схема, основанная на имплозии, управляемой лазером, может быть легко распространена на широкий спектр материалов, открывая путь для далеко идущих исследований экстремальной атомной физики при огромных давлениях".

Исследователи из Prism Computational Sciences и Sandia National Laboratories и дополнительные исследователи из LLE, в том числе аспиранты физики Дэвид Бишел и Алекс Чин, также внесли свой вклад в этот проект.