基于含时密度泛函理论研究惰性元素以及混合物质在温稠密状态下的电离行为

Warm dense matter (WDM) extensively exists inside giant planets, stars and inertial confinement fusion (ICF). The matter in this state is partially ionized between condensed matter systems (temperature below melting point) and ideal plasma (temperature above the Fermi temperature). As the electrons are partially degenerated, the dissociation of molecules and ionization of atoms are both not complete, which leads to the difficulty in predicting its equation of state with conventional theory based on solid or ideal plasma. In this proposal, we will make a thorough investigation on the ionization properties of inert gas and their mixtures under WDM state by use of the newly developed time-dependent density functional theory combining Ehrenfest equation to describe the motion of electrons and ions, respectively. On the basis of calculated electron populations at different temperatures and densities, we will analyze the excitation and ionization mechanism of WDM and shed light on the ionization potential depression (IPD) and plasma phase transition (PPT) resulted from the screening of Coulomb interactions. The condition and mechanism of PPT will be discussed in details. The ionization properties of mixtures composed of carbon, hydrogen and inert gas element will also be studied, which will provide the indispensable parameters about the ionization degree for the interpretation and establishment of the equation of state of the WDM encountered in ICF.

温稠密态物质广泛存在于大质量行星内核、恒星以及惯性约束聚变中，电子处于部分电离、部分束缚的状态，现有的固体理论和理想等离子体理论都无法对其状态方程进行准确的描述，尤其是其中的电离状态成为一个难点。本项目拟采用近年发展起来的含时密度泛函理论（TDDFT）结合描述原子核运动的Ehrenfest方程，研究惰性元素以及混合物质在温稠密状态下的电离特性。在计算得到不同温度、密度条件下电子在不同能级布居数的基础上，研究惰性元素在温稠密状态下电子激发与电离机制，理解不同条件下的电荷屏蔽效应对电子结构及跃迁特性的影响，解释电离势降低的原理并与实验结果进行比较，进一步探索等离子体相变的机制以及参数条件。最后，本项目将研究碳、氢及惰性元素混合物质的电离规律与其组分的关系，研究成果将为理解和建立惯性约束聚变中温稠密物质的状态方程提供基础。

温稠密态物质介于通常的固体物态和等离子体态之间，现有的固体理论和理想等离子体理论都无法对其状态方程进行准确的描述，尤其是其中的电离状态成为一个难点。当物质处于温稠密状态时，外在的高压、高密度使粒子球半径接近或小于波尔半径，外层轨道中的电子出现了交叠，不仅库伦作用重要，而且引发了压致电离、电离相变和屏蔽极化效应。研究在此状态下的物质的热力学参量，首先必须确定其中的物质成分以及电离度。本项目采用近年发展起来的含时密度泛函理论(TDDFT)描述电子的运动，结合原子核运动的Ehrenfest方程，研究惰性元素以及混合物质在温稠密状态下的电离特性。TDDFT理论是在基态DFT的框架下，加入随时间变化的外场的影响，考虑电子在随时间演化的外场下的运动行为。此方法能够直接描述电子系统的激发态，能包括基态DFT无法考虑到的效应，已经逐步成为研究固体中电子在外场扰动下（如激光场辐照、离子入射）行为的重要方法。首先，本项目将TDDFT方法应用于研究孤立体系的离子碰撞过程，计算得到了碰撞过程中的电荷转移以及能量损失截面并于实验值相比较。在确认了该方法的有效性后，我们将该方法应用于延展体系中，研究了荷能离子与二维石墨烯以及硼氮片的相互作用过程。最后我们将该方法用于研究三维体系的惰性等离子体，证实了压致电离是惰性等离子体的主要电离机制。通过研究惰性等离子体与水的混合体系的电离，我们解释了声致发光实验上观测到的高电离度现象。我们的结论表明温稠密等离子体的电离机制主要是压致电离而不是之前理论预言的等离子体相变。