Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng lý thuyết và tính toán vật lý để dự đoán sự hiện diện của hai hiện tượng mới – chuyển tiếp bức xạ xen kẽ (IRT) và phá vỡ quy tắc chọn lưỡng cực – trong việc vận chuyển bức xạ trong các nguyên tử và phân tử dưới mật độ năng lượng cao (HED ) điều kiện. Nghiên cứu tăng cường sự hiểu biết về khoa học HED và có thể dẫn đến nhiều thông tin hơn về cách các ngôi sao và các vật thể thiên văn khác phát triển trong vũ trụ.
Các nguyên tử và phân tử hành xử rất khác nhau ở nhiệt độ và áp suất cực cao. Mặc dù vật chất cực đoan như vậy không tồn tại tự nhiên trên trái đất nhưng nó tồn tại rất nhiều trong vũ trụ, đặc biệt là trong lõi sâu của các hành tinh và các ngôi sao. Hiểu cách các nguyên tử phản ứng trong điều kiện áp suất cao – một lĩnh vực được gọi là vật lý mật độ năng lượng cao (HEDP) – mang lại cho các nhà khoa học những hiểu biết quý giá về các lĩnh vực khoa học hành tinh, vật lý thiên văn, năng lượng nhiệt hạch và an ninh quốc gia.
Một câu hỏi quan trọng trong lĩnh vực khoa học HED là làm thế nào vật chất trong điều kiện áp suất cao có thể phát ra hoặc hấp thụ bức xạ theo những cách khác với cách hiểu truyền thống của chúng ta.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Communications , Suxing Hu, một nhà khoa học và nhà lãnh đạo nhóm nổi tiếng của Nhóm lý thuyết HEDP tại Phòng thí nghiệm năng lượng Laser (LLE) của Đại học Rochester cùng với các đồng nghiệp của LLE và Pháp, đã áp dụng lý thuyết và tính toán vật lý để dự đoán sự hiện diện của hai hiện tượng mới – quá trình chuyển tiếp bức xạ (IRT) và sự phá vỡ quy tắc chọn lưỡng cực – trong việc vận chuyển bức xạ trong các nguyên tử và phân tử trong điều kiện HEDP. Nghiên cứu tăng cường sự hiểu biết về HEDP và có thể dẫn đến nhiều thông tin hơn về cách các ngôi sao và các vật thể thiên văn khác phát triển trong vũ trụ.
CHUYỂN ĐỘNG NỀN TẢNG (IRT) LÀ GÌ?
Chuyển tiếp bức xạ là một quá trình vật lý xảy ra bên trong các nguyên tử và phân tử, trong đó electron hoặc electron của chúng có thể “nhảy” từ các mức năng lượng khác nhau bằng cách phóng xạ / phát ra hoặc hấp thụ một photon. Các nhà khoa học thấy rằng đối với vật chất trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, sự chuyển đổi bức xạ như vậy chủ yếu xảy ra trong mỗi nguyên tử hoặc phân tử riêng lẻ; electron thực hiện bước nhảy giữa các mức năng lượng thuộc về một nguyên tử hoặc phân tử, và sự nhảy vọt thường không xảy ra giữa các nguyên tử và phân tử khác nhau.
Tuy nhiên, Hu và các đồng nghiệp dự đoán rằng khi các nguyên tử và phân tử được đặt trong điều kiện HED và được nén chặt đến mức chúng trở nên rất gần nhau, các chuyển tiếp bức xạ có thể liên quan đến các nguyên tử và phân tử lân cận.
Cụ thể, các electron bây giờ có thể nhảy từ mức năng lượng của một nguyên tử sang các nguyên tử lân cận khác.
QUY TẮC LỰA CHỌN LỰA CHỌN LÀ GÌ?
Các electron bên trong một nguyên tử có các đối xứng cụ thể. Ví dụ, “các electron sóng s” luôn đối xứng hình cầu, nghĩa là chúng trông giống như một quả bóng, với hạt nhân nằm ở trung tâm nguyên tử; “Electron sóng p”, mặt khác, trông giống như quả tạ. Sóng D và các trạng thái electron khác có hình dạng phức tạp hơn. Sự chuyển đổi bức xạ sẽ chủ yếu xảy ra khi nhảy electron theo quy tắc chọn lưỡng cực, trong đó electron nhảy thay đổi hình dạng từ sóng s sang sóng p, từ sóng p sang sóng d, v.v.
Trong điều kiện bình thường và không cực đoan, người ta hầu như không thấy các electron nhảy giữa các hình dạng giống nhau, từ sóng s sang sóng s và từ sóng p đến sóng p, bằng cách phát ra hoặc hấp thụ các photon.
Tuy nhiên, như Hu và các đồng nghiệp đã tìm thấy, khi các vật liệu được ép rất chặt vào trạng thái HED kỳ lạ, quy tắc chọn lưỡng cực thường bị phá vỡ.
Trong những điều kiện khắc nghiệt như vậy được tìm thấy ở trung tâm của các ngôi sao và các lớp thí nghiệm nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm, sự phát xạ và hấp thụ tia X không lưỡng cực có thể xảy ra, điều chưa từng tưởng tượng trước đây.
SỬ DỤNG SIÊU THỊ ĐỂ NGHIÊN CỨU HEDP
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính tại cả Trung tâm tính toán nghiên cứu tích hợp (CIRC) của Đại học Rochester và tại LLE để tiến hành tính toán.
Nhờ những tiến bộ to lớn trong công nghệ laser năng lượng cao và xung năng lượng, việc đưa các ngôi sao đến Trái đất đã trở thành hiện thực trong một hoặc hai thập kỷ qua.
Hu và các đồng nghiệp đã thực hiện nghiên cứu của họ bằng cách sử dụng tính toán lý thuyết chức năng mật độ (DFT), đưa ra mô tả cơ học lượng tử về liên kết giữa các nguyên tử và phân tử trong các hệ thống phức tạp. Phương pháp DFT được mô tả lần đầu tiên vào những năm 1960 và là chủ đề của Giải thưởng Nobel Hóa học năm 1998. Tính toán DFT đã liên tục được cải thiện kể từ đó. Một cải tiến như vậy để cho phép tính toán DFT liên quan đến các electron lõi được thực hiện bởi Valentin Karasev, một nhà khoa học tại LLE và là đồng tác giả của bài báo.
Kết quả cho thấy có những vạch phát xạ / hấp thụ mới xuất hiện trong phổ tia X của các hệ vật chất cực đoan này, xuất phát từ các kênh IRT chưa biết trước đó và sự phá vỡ quy tắc chọn lưỡng cực.
Hu và Philip Nilson, một nhà khoa học cao cấp tại LLE và đồng tác giả của bài báo, hiện đang lên kế hoạch cho các thí nghiệm trong tương lai sẽ liên quan đến việc thử nghiệm những dự đoán lý thuyết mới này tại cơ sở laser OMEGA tại LLE. Cơ sở cho phép người dùng tạo ra các điều kiện HED kỳ lạ trong khoảng thời gian nano giây, cho phép các nhà khoa học thăm dò các hành vi độc đáo của các vấn đề ở điều kiện khắc nghiệt.
Nếu được chứng minh là đúng bằng các thí nghiệm, những khám phá mới này sẽ thay đổi sâu sắc cách thức vận chuyển bức xạ hiện đang được xử lý trong các vật liệu HED kỳ lạ. Các kênh phát xạ và hấp thụ mới dự đoán DFT này chưa bao giờ được xem xét cho đến nay trong sách giáo khoa.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Rochester . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :