第一性原理计算温稠密状态下惰性元素的电离和光辐射性质

Warm dense matter is a partially ionized state between solid and ideal plasma. Accurate description of ionization and radiation properties in this state is essential to appropriate choice of parameters and estimation of errors in the design of inertial confinement fusion (ICF) experiments, as fusion fuel stays in this stage for a large fraction of time in the implosion process. We propose to study ionization and radiation properties of warm dense noble gas elements using a non-equilibrium first-principles molecular dynamics method with corrections from many-body theories (in particular, the GW and BSE methods,) and extract a model from the simulation of planar shock compressions to describe the effects of non-equilibrium on ionization and radiation. We also propose to apply the data and non-equilibrium model thus obtained to the study of single-bubble sonoluminescene experiments, where the degree of ionization for the material inside a bubble is much higher than what current theory predicts. We will also examine the possibility of using single-bubble sonoluminescence experiments as a tool to study ionization and radiation properties of warm dense small-weighted elements, such as Hydrogen and Helium, which are closely related to the ICF.

温稠密状态是指物质介于固体和等离子体间的一种部分电离状态。在惯性约束聚变（ICF）中靶材料有相当长的时间处于这一状态，因而准确描述温稠密状态下物质的性质对ICF方案设计中参数及误差的估计有重大的影响。本项目拟采用经过多体理论（GW和BSE方法）修正的第一性原理非平衡分子动力学方法来研究温稠密状态下惰性元素的电离及光辐射性质。通过模拟平面冲击压缩实验中产生的惰性元素的温稠密状态，找出非平衡态对温稠密物质电离及光辐射性质的影响，并建立相应的模型进行描述。同时，进一步将模拟中所得到的电离及光辐射的相关数据及模型用于理解单气泡声致发光实验中气泡内物质的电离和光辐射机制，解释现有理论模型对电离度的估算远小于实验值的异常现象。在此基础上，本项目还将评估是否可能将单气泡声致发光实验用于测量氢、氦等同ICF密切相关的小分子元素的温稠密状态性质。

本项目通过第一性原理计算对温稠密状态下的惰性气体元素和其它典型温稠密实验材料进行了研究。初步确定了多体量子修正在温稠密状态下的形式。首次提出并实现了新的ext-FPMD第一性原理方法，大大拓展了温稠密物质研究的研究范围。理论上判断声致发光中出现的反常电离现象是多组分温稠密物质所引起的。改变了以前人们所认为的反常电离是由单一惰性元素温稠密物质Mott相变所引起的这一推测。在项目的支持下，在国际期刊发表相关学术论文14篇，其中1篇发表于Scientific Reports, 2篇发表于Physical Review B，并受邀在2016年深圳高能量密度物理国际会议上进行大会报告。同时本项目支持了2014年北京高能量密度物理国际会议1次。