电子多体效应和非绝热动力学对温稠密物质结构和电子离子碰撞过程的影响

Warm dense matter (WDM), with complicated components, is difficult to describe since the electrons are partially degenerate and ions are strongly coupled. In particular, the many-body effect and non-adiabatic effect are also pivotal but needs challenging study to include. Besides, the generation and diagnosis of WDM is fast developing but requires new theory to verify. Here, we plan to develop quantum molecular dynamics coupled with electronic many-body and non-adiabatic dynamical effects, which will be used to study the ionic and electronic structures, equation of states, transport properties and electron-ion collisions related processes such as laser-matter interactions and stopping power in WDM. The phase transition dynamics in WDM will be investigated, and the generation of WDM can be understood here from the microscopic view. Furthermore, we will develop large-scale parallel molecular dynamics method and program to study directly the dynamics of laser generating WDM. And then, we can study the transport properties of ions and electrons from the non-adiabatic dynamics, which can be compared with the traditional models based on Born-Oppenhermer approximation. The high-Z elements in WDM will be studied as well, by using our new method. And the optical properties such as K-edge absorption can be obtained. Finally, we can construct a data of thermal properties such as equation of states, which can be useful for ICF and astrophysical fields.

温稠密物质成分复杂，且电子部分简并与离子强耦合共存，其产生和诊断对实验和理论均充满了挑战。温稠密物质中，电子多体效应和非绝热效应十分重要，但很难描述。本课题拟发展包含电子多体效应的第一原理分子动力学方法和非绝热效应的电子动力学方法，研究温稠密物质的电子和离子结构、状态方程、输运性质以及电子离子动力学碰撞相关的能量驰豫和阻止能(stopping power)等问题，对温稠密物质状态进行精确刻画。研究温稠密物质中结构相变等过程，理解温稠密物质的微观结构。发展大规模并行计算程序，研究激光作用产生温稠密物质的原子尺度微观动力学。同时，利用发展的非绝热动力学方法，获得平衡态电子离子输运性质，分析其中的物理图象和内涵。研究Au为代表的高Z元素热力学特性，发展计算K边等光谱方法，诊断温稠密温度密度状态，形成较为完整的数据库，相关参数可以应用到惯性约束聚变以及核防护、天体物理研究等领域。

项目主要围绕强激光、冲击波等作用产生的高温高压条件下温稠密物质的产生与诊断，同时发展宽区热力学性质和粒子输运性质精确数据研究方法开展工作。相关研究是高能量密度物理领域的重大前沿课题，是激光惯性约束聚变、量子调控和天体演化的物理基础，对核武器小型化精密化以及极端条件下材料应用等国防科技发展具有重要意义。本课题在原子尺度上发展包含电子多体效应的量子分子动力学方法和非绝热效应的电子动力学方法，研究温稠密物质的电子和离子结构、状态方程、输运性质以及电子离子动力学碰撞相关的能量驰豫和阻止能等问题，对温稠密物质状态进行精确刻画。.项目主要研究结果有：.1. 针对电子多体效应的研究，发展了包含电子多体效应的动力学模型，考虑温稠密氢的状态方程和相变特性。利用范德瓦尔斯泛函rVV10和杂化泛函PBE0对稠密氢电子结构进行准确描述。采用路径积分分子动力学研究了氢离子在高压下的量子效应对结构、电导率和相变的影响，得到了精确的稠密氢的液-液相变曲线。利用LDA+U，考虑锕系金属的f电子，研究了U及UNb合金的高压结构，同时开展了基于量子蒙卡的研究，为重元素的深入研究奠定了基础。.2. 针对激光与物质相互作用过程中的电子离子非平衡过程，发展电子有效力场分子动力学方法、双温模型分子动力学方法、含时密度泛函等非绝热模型和程序，研究了电子的量子效应对激光作用后电子离子能量交换速率的影响等非平衡过程，获得了其中的电子离子阻止等物理过程；理论结合实验，获得了激光和原子力显微镜探针作用下三层石墨烯的相变机制。发展空洞态密度泛函方法，研究了X光作用后温稠密物质的电子结构、离子结构和电导率等输运性质。.3.结合机器学习方法，发展宽温度宽密度的离子间相互作用势，提出了在冲击压缩过程中金属相变新机制和新路径。.4.获得了基于统一的第一原理模型计算的宽温宽密度氘-氚的整个惯性约束聚变温度密度区间的精确状态方程，可以利用在惯性约束聚变等国防科技领域。