Atomen en moleculen gedragen zich heel anders bij extreme temperaturen en drukken. Hoewel zulke extreme materie van nature niet op aarde voorkomt, het bestaat in overvloed in het universum, vooral in het diepe binnenste van planeten en sterren. Begrijpen hoe atomen reageren onder hogedrukomstandigheden - een veld dat bekend staat als fysica met hoge energiedichtheid (HEDP) - geeft wetenschappers waardevolle inzichten op het gebied van planetaire wetenschap, astrofysica, fusie-energie, en nationale veiligheid.

Een belangrijke vraag op het gebied van HED-wetenschap is hoe materie onder hoge druk straling kan uitzenden of absorberen op manieren die anders zijn dan ons traditionele begrip.

In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Suxing Hu, een vooraanstaande wetenschapper en groepsleider van de HEDP Theory Group aan het University of Rochester Laboratory for Laser Energetics (LLE), samen met collega's van de LLE en Frankrijk, heeft natuurkundige theorie en berekeningen toegepast om de aanwezigheid van twee nieuwe verschijnselen te voorspellen - interspecies stralingstransitie (IRT) en de afbraak van de dipoolselectieregel - in het transport van straling in atomen en moleculen onder HEDP-omstandigheden. Het onderzoek vergroot het begrip van HEDP en zou kunnen leiden tot meer informatie over hoe sterren en andere astrofysische objecten in het universum evolueren.

Wat is Interspecies Radiative Transition (Irt)?

Stralingstransitie is een natuurkundig proces dat plaatsvindt in atomen en moleculen, waarin hun elektron of elektronen van verschillende energieniveaus kunnen "springen" door een foton uit te stralen / uit te zenden of te absorberen. Wetenschappers vinden dat, voor materie in ons dagelijks leven, dergelijke stralingsovergangen vinden meestal plaats binnen elk afzonderlijk atoom of molecuul; het elektron springt tussen energieniveaus die tot het enkele atoom of molecuul behoren, en het springen gebeurt meestal niet tussen verschillende atomen en moleculen.

Echter, Hu en zijn collega's voorspellen dat wanneer atomen en moleculen onder HED-omstandigheden worden geplaatst, en zo stevig worden samengedrukt dat ze heel dicht bij elkaar komen, stralingsovergangen kunnen naburige atomen en moleculen omvatten.

"Namelijk, de elektronen kunnen nu van de energieniveaus van het ene atoom naar die van andere naburige atomen springen, "zegt Hu.

Wat is de dipoolselectieregel?

Elektronen in een atoom hebben specifieke symmetrieën. Bijvoorbeeld, "s-golf elektronen" zijn altijd sferisch symmetrisch, wat betekent dat ze op een bal lijken, met de kern in het atoomcentrum; "p-golf elektronen, " anderzijds, eruit zien als dumbells. D-golven en andere elektronentoestanden hebben meer gecompliceerde vormen. Stralingsovergangen zullen meestal optreden wanneer het elektronenspringen de zogenaamde dipoolselectieregel volgt, waarin het springende elektron van vorm verandert van s-golf naar p-golf, van p-golf naar d-golf, enzovoort.

Onder normaal, niet-extreme omstandigheden, Hu zegt, "Je ziet nauwelijks elektronen tussen dezelfde vormen springen, van s-golf naar s-golf en van p-golf naar p-golf, door fotonen uit te zenden of te absorberen."

Echter, zoals Hu en zijn collega's ontdekten, wanneer materialen zo strak in de exotische HED-staat worden geperst, de dipoolselectieregel wordt vaak afgebroken.

"Onder zulke extreme omstandigheden gevonden in het centrum van sterren en klassen van laboratoriumfusie-experimenten, niet-dipool röntgenstraling en absorptie kunnen optreden, wat nooit eerder was gedacht, "zegt Hu.

Supercomputers gebruiken om Hedp te bestuderen

De onderzoekers gebruikten supercomputers bij zowel het Centre for Integrated Research Computing (CIRC) van de University of Rochester als bij de LLE om hun berekeningen uit te voeren.

"Dankzij de enorme vooruitgang in high-energy laser en pulsed-power technologieën, 'sterren naar de aarde brengen' is de afgelopen tien jaar werkelijkheid geworden, "zegt Hu.

Hu en zijn collega's voerden hun onderzoek uit met behulp van de dichtheid-functionele theorie (DFT) berekening, die een kwantummechanische beschrijving biedt van de bindingen tussen atomen en moleculen in complexe systemen. De DFT-methode werd voor het eerst beschreven in de jaren zestig, en was het onderwerp van de 1998 Nobelprijs voor de Scheikunde. DFT-berekeningen zijn sindsdien voortdurend verbeterd. Een dergelijke verbetering om DFT-berekeningen mogelijk te maken waarbij kernelektronen betrokken zijn, is gemaakt door Valentin Karasev, een wetenschapper aan de LLE en een co-auteur van het artikel.

De resultaten geven aan dat er nieuwe emissie-/absorptielijnen verschijnen in de röntgenspectra van deze extreme materiesystemen, die afkomstig zijn van de voorheen onbekende kanalen van IRT en de uitsplitsing van de dipoolselectieregel.

Hu en Philip Nilson, een senior wetenschapper aan de LLE en co-auteur van het artikel, plannen momenteel toekomstige experimenten waarbij deze nieuwe theoretische voorspellingen worden getest in de OMEGA-laserfaciliteit aan de LLE. Met de faciliteit kunnen gebruikers exotische HED-omstandigheden creëren in tijdschalen van nanoseconden, waardoor wetenschappers het unieke gedrag van zaken onder extreme omstandigheden kunnen onderzoeken.

"Als door experimenten wordt bewezen dat het waar is, deze nieuwe ontdekkingen zullen de manier waarop stralingstransport momenteel wordt behandeld in exotische HED-materialen ingrijpend veranderen, "zegt Hu. "Deze door DFT voorspelde nieuwe emissie- en absorptiekanalen zijn tot nu toe nooit in studieboeken overwogen."