温稠密物质中电子与离子的能量、温度弛豫的第一原理研究

温稠密物质(WDM)中电子-离子能量弛豫的非平衡过程对惯性约束聚变、天体物理、材料物理等领域以及对基本物理的深入认知具有重要的科学和工程意义。引入了电子与离子动态相互作用的量子朗之万分子动力学(QLMD)可以研究涵盖整个WDM区域的物质性质，克服了经典分子动力学在势函数等方面的困难和传统量子分子动力学(QMD)在高温下的困难。本项目在QLMD的基础上，完善电子与离子动态相互碰撞表述，其中离子间相互作用势基于密度泛函理论得到，同时对电子和离子结构进行准确描述，精确得到非平衡状态下的电子-离子间能量和温度弛豫时间尺度。具体为：一是从福克普朗克方程出发，给出电子与离子的碰撞频率，将其耦合到大规模第一原理分子动力学程序中；其二是给出电子与离子的温度弛豫方程，在双温模型下通过朗之万方程求解离子运动，得到电子与离子的弛豫过程；其三是发展适用于宽温、宽密度且能从单质到混合物的第一原理模型。

温稠密物质的非平衡过程涉及到诸如惯性约束聚变、原子物理、天体物理、等离子体物理中的许多重要物理过程。项目主要针对温稠密物质特性及其在激光以及冲击波等作用后的非平衡过程进行研究，利用第一原理方法作为基础，结合分子动力学方法，在发展的量子朗之万分子动力学（QLMD）的基础上，一是对典型的温稠密物质物态物性及其动力学性质进行研究，获得状态方程、输运系数等一系列物理性质；二是针对电子和离子温度不相同时，能量或者温度会互相交换的情况，利用分子动力学方法和双温模型，获得从非平衡到平衡的弛豫时间过程，以及对其中的非平衡过程中的物理性质进行描述。经过三年研究，发表了包括1篇Phys. Rev. Lett.，2篇Scientific Reports在内的9篇SCI论文，取得的代表性成果为：(1)、利用量子朗之万分子动力学方法，发现了许多温稠密物质内的新现象和新物理，比如电子泡和离子团簇结构，对平衡态温稠密物质特性的研究以及理解非平衡过程中的物理效应具有重要参考。(2)、研究了离子的量子效应在决定原子结构及其动力学行为中的影响，并发展理论揭示了温稠密物质中的离子量子动力学。这同样为我们考虑温度相对较低时的非平衡过程提供了新的需要考虑的物理效应。(3)、结合利用经典分子动力学方法，提出了新的考虑截断的库仑势函数，把电子当作经典粒子处理，研究了温热稠密H的电子-离子非平衡弛豫过程，获得了对非平衡过程中的物理过程的动态认识，验证了传统统计模型的适用范围。同时，已经开始研究考虑电子的量子波包的分子动力学方法。(4)建立了利用第一原理方法获得温稠密物质在不同温度密度状态下的热容量、电声耦合系数等热力学参数，利用双温模型结合分子动力学方法对非平衡过程进行研究的模型。目前，还在进一步深化研究。