温稠密物质太赫兹波段电导率的实验和理论研究

Understanding the structure and dynamics of warm dense matter is one of the key challenges in high energy density physics which is fundamental for inertial confinement fusion, astrophysics and intense-laser-matter interactions. The conductivity of warm dense matter is one of the important parameters to investigate its structures, radiative and mechanical properties, which reflects the complex characteristics of strongly coupled, correlated and nonlinear interaction among ions, electrons, background radiation as well as intense external field. In this project, single-shot terahertz time-domain spectroscopy is developed experimentally to measure precisely the conductivity of warm dense Aluminum plasma with temporal resolution while the ab initial principle-based theoretical models and simulation approaches are established to predict exactly the structures and the dynamics of warm dense matter. Combing novel experimental technique and fundamental theoretical method, the structures of electrons and ions as well as the transportation characters in terahertz range are studied deeply and systematically. The precise model to describe the states and dynamics of warm dense matter is believed to lay a solid foundation for the detailed simulation of inertial confinement fusion.

温稠密物质的结构和动力学问题，是激光惯性约束聚变和天体演化的物理基础，对高能量密度物理及相关国防高科技的发展具有重要意义。温稠密物质的电导率是研究温稠密物质结构、辐射性质和动力学的重要参数，反映了离子、电子、背景辐射以及强驱动场之间的强耦合、强关联和非线性作用特征，关系到能量转换过程，影响极端条件下物质的物态物性。本项目针对温稠密等离子体理论建模和实验表征面临的挑战，实验上发展单发的太赫兹时域光谱技术，准确测量温稠密铝等离子体在太赫兹波段时间分辨的电导率，理论上发展基于第一原理的理论模型和数值计算方法，研究其结构和太赫兹波段的电导率。本项目实验和理论结合，对温稠密物质的电子、离子结构和太赫兹波段的输运性质开展系统深入的研究，建立描述温稠密物质性质和输运的精确物理模型，为模拟惯性约束聚变过程提供参数和物理模型上的支持。

温稠密物质的结构和动力学问题，是激光惯性约束聚变和天体演化的物理基础，对高能量密度物理及相关国防高科技的发展具有重要意义。温稠密物质的电导率是研究温稠密物质结构、辐射性质和动力学的重要参数，反映了离子、电子、以及强驱动场之间的强耦合、强关联和非线性作用特征，关系到能量转换过程，影响极端条件下物质的物态物性。本项目针对温稠密等离子体理论建模和实验表征面临的挑战，实验上发展单发的太赫兹时域光谱技术，准确测量温稠密金等离子体在太赫兹波段时间分辨的电导率，理论上发展基于第一原理的理论模型和数值计算方法，研究其结构和太赫兹波段的电导率。本项目取得了以下成果：（1）自主设计加工了阶梯反射光栅，实现了单发的光学泵浦——太赫兹探测实验，获得了金在太赫兹波段时间分辨的电导率数据。（2）在中物院拍瓦激光装置上产生了电场强度超过10MV/cm的强场太赫兹脉冲，并利用自主研制的单发太赫兹时域光谱仪测量到太赫兹波形，为强场太赫兹物理实验奠定了基础。（3）构建了电子温度依赖的深度学习势（ETD-DP）模型，考虑了非平衡态电子对势能面的影响，提出了双温模型耦合的深度势分子动力学（TTM-DPMD）方法，准确模拟了温稠密金在太赫兹波段电导率的演化过程，发现通过超快激发后1皮秒内直流电导率的跃变幅度可以诊断温稠密金中的电子温度，在10皮秒内电导率的缓慢下降过程能够确定电子-离子耦合系数。（4）基于双温模型，电子热容的实验测量数据和第一原理计算数值一致，但是电子-离子耦合系数的实验测量数据和第一原理计算值之间存在4~5倍的差异，意味着需要突破电子-声子碰撞的单粒子图像，考虑多体效应对非平衡态能量输运的影响。（5）通过在中物院大型激光装置上的联合实验，使中物院的合作者掌握了强太赫兹辐射的产生以及单发太赫兹时域光谱技术，为开展强场太赫兹物理实验、利用太赫兹技术诊断激光聚变物质状态培养了技术骨干。本项目实验和理论结合，对温稠密物质的电子、离子结构和太赫兹波段的输运性质开展系统深入的研究，建立描述温稠密物质性质和输运的精确物理模型，为模拟惯性约束聚变过程提供参数和物理模型上的支持。