中低Z元素温稠密物质的第一原理分子动力学模拟方法研究

温稠密物质的动力学和相关性质是高能量密度物理的重要研究内容，并在天体物理、惯性约束聚变(ICF)等研究中具有重要的应用。温稠密物质往往具有强关联和部分简并等特点，难以用传统的理想等离子体理论进行研究。基于密度泛函理论的第一原理分子动力学方法计算精度高、适用范围广，近来已应用于模拟温稠密物质并越来越受人关注。本项目拟基于密度泛函理论的前沿成果，特别针对中温低密（温度为几个eV，密度小于0.1倍固体密度）和高温高密(温度大于50eV，密度高于10倍固体密度)状态下温稠密物质模拟的需要，探索发展合适的第一原理分子动力学计算方法和程序，并拓展第一原理分子动力学在这两种状态下的适用范围。系统开展若干重要的中低Z元素温稠密物质的模拟研究，计算其物态方程参数。希望通过本项目的工作，提升更广温度密度范围的温稠密物质的动力学过程的细致模拟能力，并为ICF、天体物理等研究提供更高精度的温稠密物质的物态方程。

温稠密物质是高能量密度物理的主要研究对象之一，其具有强耦合和电子部分简并的特性，结构和动力学均非常复杂，现阶段人们对其的认识相当不充分。理论上精确描述和模拟温稠密物质是非常困难的，并且涉及原子分子物理、等离子体物理、凝聚态物理等多学科。为此，我们主要采用基于密度泛函理论的第一原理分子动力学方法来探索温稠密物质，并结合了基于原子理论的等离子体模型方法。在项目的开展过程中，我们完成了以下内容并取得了一系列成果：（1） 我们建立了一套适用于不同温度密度状态的赝势拟合的方法，并对H、B、Be、C、Al、Cu等中低Z元素系统地拟合了针对不同温度密度条件的赝势库，并对Li拟合了带有1s空穴的赝势以开展X射线吸收谱近阈结构的相关研究；（2）采用量子分子动力学模拟方法，系统地研究了Li、Be、Al的物态方程、电学和光学性质等。其中对冲击压缩Li的雨贡纽曲线，我们给出的结果指出了前人采用电子力场方法模拟存在的问题，有助于澄清此前实验和理论的分歧，并预言了相关结构的X射线吸收谱近阈结构，对以后的实验将有一定的指导意义；系统地考察了Be从温稠密物质到稀疏的原子流体行为的演变过程，从而有助于形成从凝聚相到稀疏等离子体的整体认识；结合第一原理分子动力学和基于原子模型的等离子体模型方法深入研究了温稠密状态Al的吸收谱，从凝聚态物理和原子物理两个方向共同去认识温稠密物质的结构和性质将大大有助于推动对温稠密物质的认识；(3) 开发了一套基于平均原子模型的托马斯-费米程序，并正在扩充为完整功能的无轨道分子动力学程序。总体而言，本项目完成情况良好，我们通过开展这一项目，不仅取得了一些成果，也提高了我们对于温稠密物质的精确模拟的理论水平。