Физика высоких плотностей энергии (HEDP) - это новое подразделение физики, которое пересекает физику конденсированного состояния , ядерную физику , астрофизику и физику плазмы . Он был определен как физика вещества и излучения при плотностях энергии, превышающих примерно 100 ГДж / м ^ 3. [1]
Наука о высокой плотности энергии (HED) включает изучение конденсированного вещества с плотностями, характерными для глубоких недр планет-гигантов, и горячей плазмы, типичной для звездных недр. [2] Эта междисциплинарная область обеспечивает основу для понимания широкого спектра астрофизических наблюдений и понимания и, в конечном итоге, управления режимом термоядерного синтеза. В частности, термоядерное зажигание путем инерционного удержания в лаборатории, а также переход от планет к коричневым карликам и звездам в природе происходит в режиме HED. Широкий спектр новых и появляющихся экспериментальных возможностей ( National Ignition Facility(NIF), Jupiter Laser Facility (JLF) и т. Д.) Вместе с продвижением к Exascale Computing помогают сделать этот новый научный рубеж богатым открытиями. [3]
Область HED часто определяется плотностью энергии (единицы давления ) выше 1 Мбар = 100 ГПа ~ 1 миллион атмосферы . Это сопоставимо с плотностью энергии химической связи, например, в молекуле воды. Таким образом, при 1 мбар химический состав, каким мы его знаем, меняется. Эксперименты в НИФ теперь регулярно исследуют материю при давлении 100 мбар. В этих условиях «атомного давления» плотность энергии сравнима с плотностью энергии внутренних электронов остова, поэтому сами атомы изменяются. Плотный режим HED включает сильно вырожденное вещество с межатомным расстоянием меньше длины волны де Бройля . Это похоже на квантовый режим, достигаемый при низких температурах [4] (например, конденсация Бозе-Эйнштейна ), однако, в отличие от низкотемпературного аналога, этот режим HED одновременно исследует межатомные расстояния меньше радиуса Бора . Это открывает совершенно новую квантово-механическую область, где электроны остова, а не только валентные электроны, определяют свойства материала и порождают химию остовных электронов и новую структурную сложность в твердых телах. Возможное экзотическое электронное, механическое и структурное поведение такой материи включает сверхпроводимость при комнатной температуре , электриды с высокой плотностью, переходы жидкость-жидкость первого рода и новые переходы изолятор-металл. Такая материя, вероятно, довольно распространена во Вселенной и существует на более чем 1000 недавно открытых экзопланет . [3]
Условия HED при более высоких температурах важны для рождения и смерти звезд и управления термоядерным синтезом в лаборатории. Возьмем, к примеру, рождение и остывание нейтронной звезды . Центральная часть звезды, в ~ 8-20 раз превышающая массу нашего Солнца, соединяется с железом и не может идти дальше, поскольку у железа самая высокая энергия связи на нуклон из всех элементов. По мере того, как железное ядро накапливается до ~ 1,4 солнечной массы, давление вырождения электронов уступает силе тяжести и коллапсирует. Вначале звезда остывает за счет быстрого испускания нейтрино . Внешний поверхностный слой Fe (~ 10 9 К) вызывает спонтанное рождение пар, затем достигает температуры, при которой давление излучения сравнимо с тепловым давлением, а тепловое давление сравнимо с кулоновскими взаимодействиями . [3]
Недавние открытия включают металлический жидкий водород и суперионную воду . [3]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Физика высокой плотности энергии.
- ^ https://heds-center.llnl.gov/
- ^ a b c d "Наука о высоких плотностях энергии: области исследований" . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, Министерство энергетики США. Эта статья включает текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .
- ^ Бергесон, Скотт Д.; Baalrud, Scott D .; Эллисон, К. Леланд; Грант, Эдвард; Грациани, Франк Р .; Киллиан, Томас С .; Мурильо, Майкл С .; Робертс, Джейкоб Л .; Стэнтон, Лиам Г. (01.10.2019). «Изучение кроссовера между плазмой с высокой плотностью энергии и физикой ультрахолодной нейтральной плазмы» . Физика плазмы . 26 (10): 100501. DOI : 10,1063 / 1,5119144 . ISSN 1070-664X .