Nature子刊：史无前例的证据挑战了等离子体发射或吸收辐射的理论

长三角G60激光联盟导读

据悉，大多数人都熟悉固体、液体和气体作为物质的三种状态。然而，第四种物质状态，称为等离子体，是宇宙中最丰富的物质形式，在整个太阳系和其他行星体中都有发现。

不同原子物理模型预测的暖/热致密等离子体的光谱差异图示。来源：Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34618-6

由于稠密的等离子体——由自由移动的电子和离子组成的热汤——通常只在极端的压力和温度下形成，科学家们仍在努力理解这种物质状态的基本原理。了解原子在极端压力条件下的反应——一个被称为高能密度物理学（HEDP）的领域——为科学家提供了行星科学、天体物理学和聚变能领域的宝贵见解。

HEDP领域的一个重要问题是等离子体如何发射或吸收辐射。目前描述稠密等离子体中辐射传输的模型主要基于理论而非实验证据。

在Gbar压力的白矮星包络条件下，温/热致密等离子体的时间分辨x射线光谱实验。

在《自然通讯》（Nature Communications）上发表的一篇新论文中，罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的研究人员使用LLE的OMEGA激光器来研究辐射如何通过密集等离子体。

这项研究由杰出科学家、LLE高能密度物理理论小组组长、机械工程副教授Suxing Hu和LLE激光等离子体相互作用小组的高级科学家Philip Nilson领导，提供了有关极端条件下原子行为的同类实验数据。

这些数据将用于改进等离子体模型，使科学家能够更好地了解恒星的演化，并有助于实现受控核聚变作为替代能源。

“使用激光驱动的内爆对OMEGA的实验已经在地球表面大气压力的数十亿倍的压力下创造了极端物质，使我们能够探测原子和分子在这种极端条件下的行为，这些条件对应于所谓的白矮星包层以及惯性聚变目标内部的条件。”

美国国家航空航天局（NASA）拍摄的一张从太阳喷出的等离子体图像。等离子体是由自由运动的电子和离子组成的热汤，是宇宙中最丰富的物质形式，在太阳系和其他行星体中都有。罗切斯特大学研究人员的一项新研究提供了有关辐射如何穿过致密等离子体的实验数据，这将有助于科学家更好地了解行星科学和聚变能。来源：NASA

研究人员使用X射线光谱学来测量辐射是如何通过等离子体传输的。X射线光谱学涉及将X射线形式的辐射束对准由原子组成的等离子体，在这种情况下，铜原子处于极端压力和高温下。研究人员使用OMEGA激光器来产生等离子体，并产生针对等离子体的X射线。

当等离子体被X射线轰击时，原子中的电子通过发射或吸收光子从一个能级跳到另一个能级。一个探测器测量这些变化，揭示血浆内部发生的物理过程，类似于对骨折进行X射线诊断。

堆芯闪光期间实验和模型之间时间分辨x射线信号的比较。

打破传统理论

研究人员的实验测量表明，当辐射穿过稠密的等离子体时，原子能级的变化并不遵循等离子体物理模型中目前使用的传统理论，即“连续下降”模型。

研究人员发现，他们在实验中观察到的测量结果只能用基于密度泛函理论（DFT）的自洽方法来解释。DFT提供了复杂系统中原子和分子之间键的量子力学描述。DFT方法在20世纪60年代首次被描述，是1998年诺贝尔化学奖的主题。

rad hydro预测了OMEGA上掺铜CH靶内爆核心闪光期间的暖/热致密等离子体条件。

Nilson说：“我们的方法可以提供一种可靠的方法来模拟恒星和惯性聚变目标中遇到的密集等离子体中的辐射产生和传输。本文报告的基于激光驱动内爆的实验方案可以很容易地扩展到广泛的材料，为在巨大压力下对极端原子物理进行深入研究开辟了道路。”

来源：Probing atomic physics at ultrahigh pressure using laser-driven implosions, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34618-6

长三角G60激光联盟陈长军转载