这类实验证据首次反驳了公司传统理论关于等离子体如何发射或吸收辐射。
大多数人都熟悉固体、液体和气体这三种物质状态。然而，第四种物质状态，叫做等离子体，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能找到。因为密集的等离子体——由原子和自由移动的电子和离子组成的热汤——通常只在极端的压力和温度下形成，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——使科学家对行星科学、天体物理学和核聚变能等领域有了有价值的见解。
等离子体如何发射或吸收辐射是HEDP领域的一个重要问题。目前描述致密等离子体中辐射传输的模型主要是基于理论，而不是实验证据。
“这项工作揭示了重写现行教科书的基本步骤 关于辐射如何在密集等离子体中产生和传输的手稿。”在《自然通信》杂志上发表的一篇新论文中，罗切斯特大学激光能量学实验室(LLE)的研究人员使用LLE的OMEGA激光器来研究辐射如何通过致密等离子体。该研究由著名科学家、兰州大学高能密度物理理论小组组长、机械工程副教授胡素星和兰州大学激光等离子体相互作用小组资深科学家菲利普·尼尔森领导，提供了关于原子在极端条件下行为的首次实验数据。这些数据将用于改进等离子体模型，使科学家能够更好地理解恒星的演化，并可能有助于实现可控核聚变作为替代能源。
“在OMEGA上使用激光驱动内爆的实验创造了极端物质，其压力是地球表面大气压力的数十亿倍，让我们可以探测原子和分子在这种极端条件下的行为，”Hu说。“这些条件与白矮星和惯性聚变目标的所谓包络层内的条件相对应。”
(从左至右)菲利普·尼尔森，LLE激光-等离子体相互作用小组的高级科学家;研究生Alex Chin;著名科学家、高能密度物理理论课题组组长、机械工程副教授胡素星;和研究生大卫·比舍尔(图中所示)为更好地理解等离子体如何发射或吸收辐射的研究做出了贡献。这项研究将用于改进等离子体模型。(罗切斯特大学图片/ Eugene Kowaluk)
使用x射线光谱学
研究人员使用x射线光谱学来测量辐射如何通过等离子体传输。x射线光谱学是将一束x射线形式的辐射对准等离子体，等离子体是由原子构成的，在这种情况下是铜原子，在极高压和极热的条件下。研究人员使用OMEGA激光器来制造等离子体和制造瞄准等离子体的x射线。
当等离子体被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，类似于用x射线诊断骨折。
从工作中解脱出来nventional理论
研究人员的实验测量表明，当辐射穿过密集的等离子体时，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化学键的量子力学描述。DFT方法在20世纪60年代首次被描述，是1998年诺贝尔化学奖的主题。
Hu说:“这项工作揭示了改写当前教科书关于辐射如何在致密等离子体中产生和传输的描述的基本步骤。”“根据我们的实验，使用自洽DFT方法更准确地描述了高密度等离子体中的辐射传输。”
Nilson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密集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内爆，可以很容易地扩展到广泛的材料，为巨大压力下的极端原子物理的深远研究开辟了道路。”
来自Prism计算科学和桑迪亚国家实验室的研究人员，以及来自LLE的其他研究人员，包括物理学研究生David Bishel和Alex Chin，也对这个项目做出了贡献。
