在極端的溫度和壓力下，原子和分子的行為表現會非常不同。雖然這種極端條件下的物質並不存在於地球上，但它卻在宇宙中大量存在，尤其是在行星和恆星的內部深處。而瞭解原子在高壓條件下的反應——這一領域被稱為“高能密度物理學”（HEDP）——能夠為科學家在行星科學、天體物理學、聚變能和國家安全等領域提供深入的寶貴見解。另外，高能輻射科學（HED）領域中的一個重要問題是：在高壓條件下，物質如何能以不同於我們傳統理解的方式發射或吸收輻射。
據美國“物理學組織”網站4月24日消息稱，美國羅徹斯特大學激光能量學實驗室的科學家、HEDP理論組組長Suxing Hu的團隊和法國的同行們在《自然通訊》雜誌發文宣佈，他們通過應用物理理論和運算結果，預測出在HEDP條件下原子和分子內部輻射傳輸時存在兩種新現象：種間輻射躍遷（IRT）和偶極子選擇規則的失效。
這項研究成果增強了學界對HEDP的理解，並可能揭示出更多關於恆星和其他天體在宇宙中如何演化的信息。
輻射躍遷，是一個發生在原子和分子內部的物理過程，在這個過程中，它們的單個或數個電子可以通過發射（即輻射）或吸收光子在不同能級之間“躍遷”。
科學家們發現，對於我們日常生活中的物質來說，這種躍遷通常不會發生在不同的原子和分子之間。不過，Hu的團隊預測，當原子和分子被置於HED條件下時，它們會被擠壓得非常緊密，彼此之間由於變得非常接近而讓輻射躍遷可能涉及相鄰的原子和分子。
Hu教授介紹道：“也就是說，電子現在可以從一個原子的能級躍遷到鄰近原子的能級。”
具體說來，當電子躍遷遵循所謂的偶極子選擇規則時，輻射躍遷就會很容易發生。然而，正如Hu和同事們的發現那樣，當物質被如此緊密地擠壓到奇特的HED狀態時，偶極子選擇規則常常會被打破。
Hu教授解釋道：“在恆星中心位置的極端條件下，以及在實驗室進行的各種聚變實驗中，非偶極子X射線的發射和吸收是可以發生的。這超出了我們以前的想象。”
該組研究人員利用羅切斯特大學綜合研究計算中心（CIRC）和激光能量學實驗室（LLE）的超級計算機進行計算。通過使用密度泛函理論（DFT）進行研究——DFT提供了複雜系統中原子、分子之間鍵合的量子力學特徵描述，其結果表明，這些極端物質系統的X射線光譜波段上出現了新的發射、吸收譜線。它們來自以前未知的IRT通道和偶極子選擇規則的失效。
Hu教授評論道：“如果這些新發現在實驗中被證明是正確的，那麼它們將深刻地改變目前在HED材料的特殊領域內如何處理輻射傳輸的問題。這些由DFT預測的發射和吸收新通道在目前教科書中從未被提到過。”
編譯：朱明逸 審稿：阿淼 責編：唐林芳
期刊來源： 《自然通訊》
期刊編號： 2041-1723
原文鏈接： https://phys.org/news/2020-04-high-energy-density-physics-insights-universe.html
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