Atomer och molekyler beter sig väldigt olika vid extrema temperaturer och tryck. Även om sådan extrem materia inte existerar naturligt på jorden, det finns i överflöd i universum, särskilt i planets och stjärnornas djupa inre. Att förstå hur atomer reagerar under högtrycksförhållanden-ett område som kallas high-energy-density physics (HEDP)-ger forskare värdefull inblick i planetvetenskapens områden, astrofysik, fusionsenergi, och nationell säkerhet.

En viktig fråga inom HED-vetenskapen är hur materia under högtrycksförhållanden kan avge eller absorbera strålning på ett sätt som skiljer sig från vår traditionella förståelse.

I ett papper publicerat i Naturkommunikation , Suxing Hu, en framstående forskare och gruppledare för HEDP Theory Group vid University of Rochester Laboratory for Laser Energetics (LLE), tillsammans med kollegor från LLE och Frankrike, har tillämpat fysikteori och beräkningar för att förutsäga förekomsten av två nya fenomen - interspecies radiative transition (IRT) och nedbrytning av dipolselektionsregeln - vid strålningstransport i atomer och molekyler under HEDP -förhållanden. Forskningen ökar förståelsen för HEDP och kan leda till mer information om hur stjärnor och andra astrofysiska föremål utvecklas i universum.

Vad är Interspecies Radiative Transition (Irt)?

Strålningsövergång är en fysikprocess som sker inuti atomer och molekyler, där deras elektron eller elektroner kan "hoppa" från olika energinivåer genom att antingen utstråla/avge eller absorbera en foton. Forskare finner att för materia i vår vardag, sådana strålningsövergångar sker oftast inom varje enskild atom eller molekyl; elektronen hoppar mellan energinivåer som tillhör den enda atomen eller molekylen, och hoppningen sker normalt inte mellan olika atomer och molekyler.

Dock, Hu och hans kollegor förutspår att när atomer och molekyler placeras under HED -förhållanden, och pressas så hårt att de blir väldigt nära varandra, strålningsövergångar kan involvera närliggande atomer och molekyler.

"Nämligen, elektronerna kan nu hoppa från en atoms energinivåer till de i andra närliggande atomer, "Säger Hu.

Vad är regeln för val av dipoler?

Elektroner inuti en atom har specifika symmetrier. Till exempel, "s-vågelektroner" är alltid sfäriskt symmetriska, vilket betyder att de ser ut som en boll, med kärnan belägen i atomcentrum; "p-vågelektroner, " å andra sidan, ser ut som hantlar. D-vågor och andra elektrontillstånd har mer komplicerade former. Strålningsövergångar sker mestadels när elektronhoppningen följer den så kallade dipolselektionsregeln, där den hoppande elektronen ändrar form från s-våg till p-våg, från p-våg till d-våg, etc.

Under normala, icke-extrema förhållanden, Hu säger, "man ser knappt elektroner hoppa bland samma former, från s-våg till s-våg och från p-våg till p-våg, genom att sända eller absorbera fotoner. "

Dock, som Hu och hans kollegor fann, när material pressas så hårt in i det exotiska HED -tillståndet, dipolvalsregeln bryts ofta ner.

"Under sådana extrema förhållanden som finns i mitten av stjärnor och klasser av laboratoriefusionsexperiment, icke-dipolröntgenutsläpp och absorption kan förekomma, som aldrig var tänkt förut, "Säger Hu.

Använda superdatorer för att studera Hedp

Forskarna använde superdatorer vid både University of Rochesters Center for Integrated Research Computing (CIRC) och vid LLE för att genomföra sina beräkningar.

"Tack vare de enorma framstegen inom högenergilaser- och pulserande teknik, "att föra stjärnor till jorden" har blivit verklighet under det senaste decenniet eller två, "Säger Hu.

Hu och hans kollegor utförde sin forskning med hjälp av beräkning av densitetsfunktionell teori (DFT), som erbjuder en kvantmekanisk beskrivning av bindningarna mellan atomer och molekyler i komplexa system. DFT -metoden beskrevs först på 1960 -talet, och var föremål för Nobelpriset i kemi 1998. DFT -beräkningar har förbättrats kontinuerligt sedan dess. En sådan förbättring för att möjliggöra för DFT -beräkningar att involvera kärnelektroner gjordes av Valentin Karasev, en forskare vid LLE och en medförfattare till tidningen.

Resultaten indikerar att det finns nya utsläpps-/absorptionslinjer som visas i röntgenspektra för dessa extrema materiesystem, som är från de tidigare okända kanalerna för IRT och nedbrytningen av dipolvalsregeln.

Hu och Philip Nilson, en senior forskare vid LLE och medförfattare till tidningen, planerar för närvarande framtida experiment som kommer att innebära att testa dessa nya teoretiska förutsägelser vid OMEGA laseranläggning vid LLE. Anläggningen låter användare skapa exotiska HED -förhållanden i nanosekunders tidsskalor, låta forskare undersöka sakernas unika beteenden vid extrema förhållanden.

"Om det visade sig vara sant genom experiment, dessa nya upptäckter kommer att väsentligt förändra hur strålningstransport för närvarande behandlas i exotiska HED -material, "Säger Hu." Dessa DFT-förutsagda nya utsläpps- och absorptionskanaler har aldrig hittills beaktats i läroböcker. "