Los átomos y las moléculas se comportan de manera muy diferente a temperaturas y presiones extremas. Aunque tal materia extrema no existe naturalmente en la tierra, existe en abundancia en el universo, especialmente en el interior profundo de planetas y estrellas. Comprender cómo reaccionan los átomos en condiciones de alta presión, un campo conocido como física de alta densidad de energía (HEDP), brinda a los científicos información valiosa sobre los campos de la ciencia planetaria. astrofísica, energía de fusión, y seguridad nacional.

Una cuestión importante en el campo de la ciencia HED es cómo la materia en condiciones de alta presión puede emitir o absorber radiación de formas diferentes a nuestra comprensión tradicional.

En un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Suxing Hu, un científico distinguido y líder de grupo del HEDP Theory Group en el Laboratorio de Energía Láser de la Universidad de Rochester (LLE), junto con colegas de LLE y Francia, ha aplicado la teoría y los cálculos de la física para predecir la presencia de dos nuevos fenómenos, la transición radiativa entre especies (TRI) y la ruptura de la regla de selección de dipolos, en el transporte de radiación en átomos y moléculas en condiciones HEDP. La investigación mejora la comprensión de HEDP y podría conducir a más información sobre cómo evolucionan las estrellas y otros objetos astrofísicos en el universo.

¿Qué es la transición radiativa entre especies (Irt)?

La transición radiativa es un proceso físico que ocurre dentro de los átomos y moléculas, en el que su electrón o electrones pueden "saltar" desde diferentes niveles de energía ya sea irradiando / emitiendo o absorbiendo un fotón. Los científicos encuentran que, por la materia en nuestra vida diaria, tales transiciones radiativas ocurren principalmente dentro de cada átomo o molécula individual; el electrón salta entre niveles de energía pertenecientes a un solo átomo o molécula, y el salto no ocurre típicamente entre diferentes átomos y moléculas.

Sin embargo, Hu y sus colegas predicen que cuando los átomos y las moléculas se colocan en condiciones de HED, y se aprietan con tanta fuerza que se acercan mucho entre sí, las transiciones radiativas pueden involucrar átomos y moléculas vecinos.

"A saber, los electrones ahora pueden saltar de los niveles de energía de un átomo a los de otros átomos vecinos, "Hu dice.

¿Qué es la regla de selección de dipolos?

Los electrones dentro de un átomo tienen simetrías específicas. Por ejemplo, Los "electrones de onda s" son siempre esféricamente simétricos, lo que significa que parecen una pelota, con el núcleo ubicado en el centro atómico; "electrones de onda p, " por otra parte, parecen pesas. Las ondas D y otros estados de los electrones tienen formas más complicadas. Las transiciones radiativas ocurrirán principalmente cuando el salto de electrones sigue la llamada regla de selección de dipolos, en el que el electrón que salta cambia su forma de onda s a onda p, de onda p a onda d, etc.

En condiciones normales condiciones no extremas, Hu dice, "apenas se ven electrones saltando entre las mismas formas, de onda s a onda s y de onda p a onda p, emitiendo o absorbiendo fotones ".

Sin embargo, como descubrieron Hu y sus colegas, cuando los materiales se aprietan con tanta fuerza en el exótico estado HED, la regla de selección de dipolos a menudo se rompe.

"En condiciones tan extremas que se encuentran en el centro de estrellas y clases de experimentos de fusión de laboratorio, Pueden producirse emisiones y absorciones de rayos X no dipolos, que nunca antes se había imaginado, "Hu dice.

Usando supercomputadoras para estudiar Hedp

Los investigadores utilizaron supercomputadoras tanto en el Centro de Computación de Investigación Integrada (CIRC) de la Universidad de Rochester como en el LLE para realizar sus cálculos.

"Gracias a los tremendos avances en las tecnologías de energía pulsada y láser de alta energía, 'traer estrellas a la Tierra' se ha convertido en una realidad durante la última década o dos, "Hu dice.

Hu y sus colegas realizaron su investigación utilizando el cálculo de la teoría funcional de la densidad (DFT), que ofrece una descripción mecánica cuántica de los enlaces entre átomos y moléculas en sistemas complejos. El método DFT se describió por primera vez en la década de 1960, y fue objeto del Premio Nobel de Química de 1998. Los cálculos de DFT se han mejorado continuamente desde entonces. Una de esas mejoras para permitir que los cálculos de DFT involucren electrones centrales fue realizada por Valentin Karasev, científico de la LLE y coautor del artículo.

Los resultados indican que aparecen nuevas líneas de emisión / absorción en los espectros de rayos X de estos sistemas de materia extrema. que son de los canales previamente desconocidos de IRT y la ruptura de la regla de selección de dipolos.

Hu y Philip Nilson, un científico senior en LLE y coautor del artículo, actualmente están planificando experimentos futuros que involucrarán probar estas nuevas predicciones teóricas en la instalación de láser OMEGA en el LLE. La instalación permite a los usuarios crear condiciones exóticas de HED en escalas de tiempo de nanosegundos, permitiendo a los científicos sondear los comportamientos únicos de las materias en condiciones extremas.

"Si se demuestra que es cierto mediante experimentos, Estos nuevos descubrimientos cambiarán profundamente la forma en que se trata actualmente el transporte de radiación en materiales HED exóticos, "Dice Hu." Estos nuevos canales de emisión y absorción predichos por DFT nunca se han considerado hasta ahora en los libros de texto ".