史无前例的实验证据推翻了关于等离子体如何发射或吸收辐射的传统理论

大多数人都熟悉固体、液体和气体这三种物质状态。然而，物质的第四种状态，称为等离子体，是宇宙中最丰富的物质形式，在整个太阳系的太阳和其他行星体中都有发现。

由于致密等离子体——一种带有自由移动电子和离子的原子热汤——通常只在极端压力和温度下形成，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——为科学家们提供了对行星科学、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。目前描述致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NatureCommunications上发表的一篇新论文中，罗彻斯特大学激光能量学实验室(LLE)的研究人员使用LLE的OMEGA激光器研究辐射如何穿过致密等离子体。

该研究由LLE高能密度物理理论组杰出科学家兼组长、机械工程副教授SuxingHu和LLE激光-等离子体相互作用组资深科学家PhilipNilson领导，提供了关于原子在极端条件下行为的首创实验数据。

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，并可能有助于实现受控核聚变作为替代能源。

“在OMEGA上使用激光驱动内爆的实验已经在地球表面大气压力数十亿倍的压力下产生了极端物质，我们可以探索原子和分子在这种极端条件下的行为，”胡说。“这些条件对应于所谓的白矮星包络内的条件以及惯性聚变目标。”

美国国家航空航天局(NASA)拍摄的等离子体从太阳爆发的图像。等离子体——一种由自由移动的电子和离子组成的热原子汤——是宇宙中最丰富的物质形式，在我们整个太阳系的太阳和其他行星体中都有发现。罗切斯特大学研究人员的一项新研究提供了关于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。图片来源：美国宇航局

使用X射线光谱

研究人员使用X射线光谱测量辐射如何通过等离子体传输。X射线光谱涉及在极压和高温下将X射线形式的辐射束对准由原子(在本例中为铜原子)构成的等离子体。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。

当等离子体受到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“跳跃”到另一个能级。探测器测量这些变化，揭示等离子体内部发生的物理过程，类似于对断骨进行X射线诊断。

打破传统理论

研究人员的实验测量表明，当辐射穿过致密等离子体时，原子能级的变化并不遵循目前等离子体物理模型中使用的传统理论——所谓的“连续介质降低”模型。

相反，研究人员发现，他们在实验中观察到的测量结果只能使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1960年代首次被描述，是1998年诺贝尔化学奖的主题。

胡说：“这项工作揭示了重写当前教科书中关于高密度等离子体中辐射产生和传输如何发生的描述的基本步骤。”“根据我们的实验，使用自洽DFT方法可以更准确地描述致密等离子体中的辐射传输。”

尼尔森说，“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致密等离子体中的辐射产生和传输。这里报告的实验方案基于激光驱动的内爆，可以很容易地扩展到广泛的范围的材料，为在巨大压力下进行影响深远的极端原子物理学研究开辟了道路。”