中等耦合温稠密物质中原子结构和辐射跃迁过程的理论研究

Warm dense matter (WDM) is the strongly coupled and partially degenerate complex system under high temperature, high pressure and partially ionized state. It's extremely challenging to study the atomic processes in WDM, which makes it become one of most attractive frontiers of atomic and molecular physics. The present project propose to investigate the atomic processes in the moderately coupled WDM, mainly including 1) developing the quantum molecular dynamics (QMD) method to accurately simulate structures and dynamical evolutions of atoms in WDM with lower density, and then calculating the radiative properties; 2) extracting the information of electron density and atomic potential from QMD simulation and developing the corresponding statistical method, using their average value and fluctuation to consider the dynamic many-body coupling in WDM, and then developing atomic theoretical methods and models to consider these dynamical environment effects; 3) developing the simulation codes for radiative properties of moderately coupled WDM which are of high accuracy while not very calculation time consuming. Through the above mentioned work, we will quantitatively elucidate the environment effects on the atomic structure and radiative transition processes in the moderately coupled WDM, enhance the researching abilities and understanding level of WDM properties and atomic processes in WDM, and promote the practical applications of more precise radiative properties of plasmas in relevant research fields, such as astrophysics and fusion science.

温稠密物质是一种处于高温、高压、部分离化状态的复杂物理体系，具有强耦合特征和部分简并特征。这种极端环境中的原子过程研究极具挑战性，是原子分子物理学的一个前沿热点问题。本项目研究中等耦合温稠密物质中的原子物理问题，主要包括：1）发展量子分子动力学理论方法，使之能够准确模拟较低密度温稠密物质的状态演化，计算其辐射性质；2）统计处理量子分子动力学模拟的电子密度和势，通过其统计平均值和涨落近似考虑温稠密物质中的多体动态耦合，在此基础上，发展能够考虑中等耦合温稠密环境影响的原子结构理论方法和计算程序；3）发展兼顾计算精度和效率的中等耦合温稠密物质辐射性质的计算程序。通过这些工作，定量阐述温稠密极端环境对其中原子结构和辐射跃迁过程的影响，深化人们对于强耦合体系物理特性和规律的认识，并加速相关应用领域，如天体物理、聚变科学以及武器物理等研究所用的等离子体辐射参数的精密化进程。

温稠密物质中的原子，其结构和动力学过程都受到其周围带电粒子的强烈干扰，因此，是一种与环境强耦合的开放原子体系，其研究极具挑战性。本项目旨在探索和发展考虑温稠密物质环境影响的原子结构和辐射跃迁过程的新方法和计算程序。围绕项目研究计划，我们1）在温稠密物质的第一性原理量子分子动力学（QMD）模拟研究方面，对较大温度、密度范围的氢-氦、锂、铍、NH3等低Z体系的状态方程等热力学性质、电学（光学、辐射）性质、输运性质进行了模拟研究，获得了与实验测量符合更好的计算结果，加深了对于温稠密物质体系强耦合特性、电子密度分布及动力学演变的认识；2）在宽温度、密度范围定量考察了德拜模型、SP 模型、离子球等模型计算的电离阈值下降的差别，提出了能够更准确地考虑稠密等离子体环境效应，计算电子波函数、辐射跃迁参数计算和电离阈值下降的新方法；3）相应地，研制新的原子结构和辐射跃迁程序包裹，完成了20余个模块、数万行程序的编写、调试和初步考核，该程序通过匹配不同的边界条件，可以在离子球模型和“自由”原子模型框架下计算不同模型势下的束缚态和连续态波函数，以及它们之间的辐射跃迁参数；4）研制了等离子体不透明度模拟计算新程序，完成了平均原子模型层次的程序编制、调试和初步考核，正在编制和调试细致组态模型层次的程序模块；另一方面，还进行了大量原子（离子）结构和辐射跃迁参数的高精度计算和评估研究。项目工作达到了研究目标，并取得了丰富的研究成果：发表了26篇SCI论文，其中包括7篇ApJS（一区）文章；三名博士后和一名博士研究生参加项目的研究，并分别顺利出站和获得博士学位。项目在考虑稠密等离子体环境效应的原子结构和辐射跃迁方面的理论探索和程序研制，在将来提高实际应用中所需的宽区等离子体不透明度数据精度研究中具有潜在应用；系统的、高精度的原子结构和辐射跃迁参数，也可以应用于较低密度的等离子体不透明度的细致能级模型高精度模拟计算中。