Atomi e molecole si comportano in modo molto diverso a temperature e pressioni estreme. Sebbene una materia così estrema non esista naturalmente sulla terra, esiste in abbondanza nell'universo, specialmente negli interni profondi di pianeti e stelle. Comprendere come gli atomi reagiscono in condizioni di alta pressione, un campo noto come fisica ad alta densità di energia (HEDP), offre agli scienziati preziose informazioni sui campi della scienza planetaria, astrofisica, energia di fusione, e sicurezza nazionale.

Una domanda importante nel campo della scienza HED è come la materia in condizioni di alta pressione possa emettere o assorbire radiazioni in modi diversi dalla nostra comprensione tradizionale.

In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , Suxing Hu, un illustre scienziato e leader del gruppo di teoria HEDP presso l'Università di Rochester Laboratory for Laser Energetics (LLE), insieme ai colleghi della LLE e della Francia, ha applicato la teoria e i calcoli della fisica per prevedere la presenza di due nuovi fenomeni, la transizione radiativa interspecie (IRT) e la rottura della regola di selezione del dipolo, nel trasporto della radiazione negli atomi e nelle molecole in condizioni HEDP. La ricerca migliora la comprensione dell'HEDP e potrebbe portare a maggiori informazioni su come le stelle e altri oggetti astrofisici si evolvono nell'universo.

Che cos'è la transizione radiativa interspecie (Irt)?

La transizione radiativa è un processo fisico che avviene all'interno di atomi e molecole, in cui il loro elettrone o elettroni possono "saltare" da diversi livelli di energia irradiando/emettendo o assorbendo un fotone. Gli scienziati scoprono che, per la materia nella nostra vita quotidiana, tali transizioni radiative avvengono per lo più all'interno di ogni singolo atomo o molecola; l'elettrone fa il suo salto tra livelli energetici appartenenti al singolo atomo o molecola, e il salto non si verifica in genere tra atomi e molecole diversi.

Però, Hu e i suoi colleghi prevedono che quando atomi e molecole sono posti in condizioni HED, e sono così stretti che diventano molto vicini l'uno all'altro, le transizioni radiative possono coinvolgere atomi e molecole vicini.

"Ovvero, gli elettroni possono ora saltare dai livelli energetici di un atomo a quelli di altri atomi vicini, " dice Hu.

Qual è la regola di selezione del dipolo?

Gli elettroni all'interno di un atomo hanno simmetrie specifiche. Per esempio, Gli "elettroni dell'onda s" sono sempre sfericamente simmetrici, nel senso che sembrano una palla, con il nucleo situato nel centro atomico; "elettroni dell'onda p, " d'altra parte, sembrano manubri. Le onde D e altri stati di elettroni hanno forme più complicate. Le transizioni radiative si verificano principalmente quando il salto di elettroni segue la cosiddetta regola di selezione del dipolo, in cui l'elettrone che salta cambia forma da onda s a onda p, dall'onda p all'onda d, eccetera.

In condizioni normali, condizioni non estreme, Hu dice, "difficilmente si vedono elettroni saltare tra le stesse forme, da onda s a onda s e da onda p a onda p, emettendo o assorbendo fotoni."

Però, come hanno scoperto Hu e i suoi colleghi, quando i materiali sono così stretti nell'esotico stato HED, la regola di selezione del dipolo è spesso scomposta.

"In condizioni così estreme che si trovano al centro di stelle e classi di esperimenti di fusione in laboratorio, possono verificarsi emissioni e assorbimenti di raggi X non dipolo, che non era mai stato immaginato prima, " dice Hu.

Usare i supercomputer per studiare Hedp

I ricercatori hanno utilizzato i supercomputer sia del Center for Integrated Research Computing (CIRC) dell'Università di Rochester che dell'LLE per condurre i loro calcoli.

"Grazie agli enormi progressi nelle tecnologie laser ad alta energia e potenza pulsata, "portare le stelle sulla Terra" è diventato realtà negli ultimi dieci o due anni, " dice Hu.

Hu e i suoi colleghi hanno svolto la loro ricerca utilizzando il calcolo della teoria del funzionale della densità (DFT), che offre una descrizione quantomeccanica dei legami tra atomi e molecole in sistemi complessi. Il metodo DFT è stato descritto per la prima volta negli anni '60, ed è stato oggetto del Premio Nobel per la Chimica 1998. Da allora i calcoli DFT sono stati continuamente migliorati. Uno di questi miglioramenti per consentire ai calcoli DFT di coinvolgere gli elettroni del nucleo è stato apportato da Valentin Karasev, uno scienziato al LLE e un coautore del documento.

I risultati indicano che ci sono nuove righe di emissione/assorbimento che appaiono negli spettri di raggi X di questi sistemi di materia estrema, che provengono dai canali precedentemente sconosciuti di IRT e dalla rottura della regola di selezione del dipolo.

Hu e Philip Nilson, uno scienziato senior presso l'LLE e co-autore dell'articolo, stanno attualmente pianificando esperimenti futuri che comporteranno la verifica di queste nuove previsioni teoriche presso la struttura laser OMEGA presso l'LLE. La struttura consente agli utenti di creare condizioni HED esotiche in tempi di nanosecondi, consentendo agli scienziati di sondare i comportamenti unici delle materie in condizioni estreme.

"Se dimostrato essere vero da esperimenti, queste nuove scoperte cambieranno profondamente il modo in cui il trasporto di radiazioni viene attualmente trattato in materiali esotici HED, " Hu dice. "Questi nuovi canali di emissione e assorbimento previsti dalla DFT non sono mai stati considerati finora nei libri di testo".