基于有限温度交换-关联泛函的温稠密氖状态方程理论模拟及模型评估

Equation of state (EOS) of warm dense matter (WDM) plays a vital role for the developments of some significant basic subjects and frontiers of science and technology, such as inertial confinement fusion, astrophysics, and free-electron laser. Whereas, theoretical prediction of it is very difficult due to the complexities of WDM such as non-ideal, strong coupling, partial ionization, and partial degenerate. This project intends to against the limitation of the current main first-principle molecular dynamics (FPMD) simulation method on dealing with the exchange-correlation energy, and construct a brand new finite-temperature exchange-correlation functional based on the latest exchange-correlation data of homogeneous electron gas at finite-temperature obtained by the quantum Monte Carlo simulations, and then developing and constructing a numerical simulation technique which could consider the temperature effects of the exchange-correlation within the unified framework of FPMD. Then, we take the monatomic molecule neon which has the simple filled-shell electronic configuration as the research object, and carry out the studies of its EOS over a wide range from dense gas to warm dense fluid. Meanwhile, combining with the latest experimental EOS data of neon in this regime, we verify the improved theoretical model and evaluate the importance of the temperature effects of exchange-correlation for WDM simulations. These works would provide scientific evidences for developing a more complete theoretical description of WDM and for acquiring the new knowledge of the physical features of WDM.

温稠密物质的状态方程对于惯性约束聚变、天体物理、自由电子激光等重大基础学科及科技前沿的发展起着至关重要的作用。但由于温稠密物质非理想、强耦合、部分电离及部分简并的复杂性，其状态方程的理论预测十分困难。为此，本项目拟针对当前主流的第一原理分子动力学模拟方法在处理交换-关联能上的局限性，以基于量子蒙特卡洛模拟获得的有限温度均匀电子气交换-关联自由能为基准，构造全新的参数化有限温度交换-关联泛函，从而发展建立一套可在第一原理分子动力学的统一框架内考虑交换-关联温度效应的数值模拟技术。然后以具有简单满壳层电子结构的单原子分子氖为研究对象，开展其从室温稠密气体到温稠密流体的宽区状态方程理论模拟研究。同时结合前期获得的氖在相应区域内状态方程的实验测量结果，检验改进的理论模型并评估交换-关联的温度效应对温稠密体系物性模拟的重要性。为发展温稠密物质更为完备的理论描述、获取其物性规律的新认识提供科学依据。

温稠密物质的状态方程对于惯性约束聚变、天体物理、自由电子激光等重大基础学科及科技前沿的发展起着至关重要的作用。本项目针对当前主流的第一原理分子动力学模拟方法在处理交换-关联能上的局限性，以基于量子蒙特卡洛模拟获得的有限温度均匀电子气交换-关联自由能为基准，在本项目所研究的温度-密度区间内构造了更优的参数化有限温度交换-关联泛函，并将其嵌入第一原理分子动力学理论框架内，从而建立了一套可考虑交换-关联温度效应的温稠密物质状态方程数值模拟技术。随后以具有简单满壳层电子结构的单原子分子氖为研究对象，开展了其从室温稠密气体到温稠密流体的宽区状态方程理论模拟研究，并结合前期基于多次反射冲击压缩技术获得的氖在相应区域内状态方程的实验测量结果，对交换-关联的温度效应在温稠密体系物性模拟中的重要性进行了评估。结果表明：在较高温度和较低密度（第一、二次压缩）条件下，考虑交换-关联的温度效应可以明显地软化温稠密氖的Hugoniot线，有限温度交换-关联泛函的模拟结果相比零温交换-关联泛函的结果与实验符合更好。而在更高的温度-密度区间，有限温度交换-关联泛函虽然使得Hugoniot线发生了一定程度的软化但仍然与实验结果存在一定的偏差。这可能是由于在高温高密度区间温稠密流体的电离效应更为显著，而有限温度交换-关联泛函无法考虑温稠密流体中复杂的部分电离效应，导致其对Hugoniot线的软化程度不够，造成与实验结果的偏差。通过本项目的开展，获得了一套目标区域内更优的参数化有限温度交换-关联泛函，同时基于包含交换-关联温度效应的理论模拟并结合相应的实验测量结果，对交换-关联的温度效应在温稠密物质状态方程模拟中的重要性进行了深入的分析与评估。获得的结果对于发展温稠密物质更为完备的理论描述、推动温稠密物质理论建模的新发展具有重要的科学意义，为获取温稠密物质物性规律的新认识提供了有益的科学依据，在惯性约束聚变、天体物理等重大基础学科领域中具有广阔的应用前景。