极端条件下氢-氦混合物解离、电离及状态方程的理论和模拟研究

Hydrogen-Helium mixtures have important applications in many fields such as Inertial Confinment Fusion (ICF), astrophysics and so on. The study of their properties under extreme conditions have been the focus and frontier for many subjects including atomic physics, condensed physics and plasma physics. The stucture and dynamics of hydrogen-helium mixtures under extreme conditions are very complex, characterized by strong coupling and partial degenerate. This project plans to give exact discriptions and simulations of these properties from three aspects: Describe the molecule dissociation and electron ionization degree quantitatively during the single and multiple shock wave experiments; Based on the first-principles molecular dynamics simulations, introduce the contribution of the electron ionization to the equation of state, establish the equlibrium conditions for the mixtures, and explore the proper mixing rule under extreme conditions; Study the relation between radiative property and thermodynamical states for hydrogen-helium mixtures systematically. We expect through these studies we can deepen the understanding of the properties and physical rules of hydrogen-helium mixtures under extreme conditions, push the exploiture and utilization of new energy source and provide new ideas for the solutions to some fundmental questions in astrophysics.

氢-氦混合物在惯性约束聚变（ICF）、天体物理等领域有着重要的应用，其在极端条件下的物性已经成为原子分子物理、凝聚态物理、等离子体物理等多学科研究的热点和前沿。极端条件下氢-氦混合物的结构和动力学非常复杂，具有典型的强耦合和部分简并特征。本项目拟从三个方面对其物性进行精确的理论描述和模拟，主要包括：定量化描述单次和多次冲击压缩实验过程中的分子分解率和电子电离度；在第一原理分子动力学模拟的基础上，引入电子电离修正，研究氢-氦混合物的物态方程，建立混合物体系相平衡条件，并基于第一原理分子动力学模拟结果，探索极端条件下合理的混合规则；全面阐述氢-氦混合物辐射性质随热力学状态的变化关系。希望通过本课题的研究，深化对极端条件下氢-氦混合物特性和物理规律的认识，推动对新能源的开发利用，并为天体物理研究中某些基础问题的解决提供新思路。

氢-氦混合物是巨行星内核的主要成分，其在极端条件下的解离、电离、状态方程及其输运性质是构建行星结构及动力学模型的基础。本项目聚焦于极端条件下氢-氦混合物的状态方程、相变和输运性质相关问题，开展了系统研究，并取得了一些创新性结果：1）采用平均原子模型研究了极端条件下氢-氦混合物电子电离和氢分子解离规律，发现氦的引入会使氢分子键长变短，进而更加稳定不易分解；2）采用第一性原理分子动力学方法研究了氢-氦混合物的状态方程，并在此基础上引入电子电离和分子分解修正。电子压强在较低温度密度区域出现负斜率，表明体系出现由氢气分子分解所导致的液液相变；3）研究了氢-氦混合物的相分离现象。基于离子轨迹和对分布函数分析，发现氢-氦混合物在低温低密下会出现相分离，结论与吉普斯自由能计算结果一致；4）结合线性响应理论、动力学理论和关联函数计算，研究了极端条件下氢-氦混合物的电子和离子输运性质，并阐述相分离对这些性质的影响，提出诊断相分离的手段。体系状态范围横跨弱耦合、低简并到强耦合、高简并等离子体状态。通过本课题的研究，深化了对极端条件下氢-氦混合物特性和物理规律的认识，为天体物理研究中某些基础问题的解决提供新思路。