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温稠密物质模拟的第一性原理方法进展

物理学进展 2024年第2期44卷 49-72页

作者：张航陈默涵高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京大学应用物理与技术研究中心北京大学工学院北京100871 北京大学物理学院北京100871 北京科学智能研究院北京100080

温稠密物质(Warm Dense Matter,WDM)是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简... 详细信息

温稠密物质(Warm Dense Matter,WDM)是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简并和热效应等重要的物理性质,因此需要采用量子力学的基础理论来描述。近年来,基于量子力学的第一性原理计算模拟方法发展迅速,逐渐成为了深入理解温稠密物质性质的有效工具。一方面,直接将凝聚态物理和材料科学中广泛适用的第一性原理方法应用于温稠密物质面临着巨大的挑战,特别是在宽温区和极端高压等极端条件下,需要不断改进现有的第一性原理算法和软件。另一方面,基于机器学习的分子动力学方法发展迅速,也给温稠密物质模拟带来了新的工具。在这篇综述中,我们首先回顾了适用于温稠密物质模拟的传统第一性原理方法,包括Kohn-Sham密度泛函理论方法和无轨道密度泛函理论方法。其次,我们介绍了近年来发展的新方法和软件,例如改进的第一性原理方法和随机密度泛函理论方法,后者已在国产开源密度泛函理论软件原子算筹(ABACUS)中实现。以上新方法可以显著提升温稠密物质的计算规模和效率,从而提升温稠密物质的结构、动力学和输运系数等性质的计算精度。

关键词：温稠密物质第一性原理分子动力学机器学习原子算筹

基于X射线荧光光谱的温稠密物质电子结构密度效应研究

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物理学报 2023年第24期72卷 189-195页

作者：张志宇赵阳青波张继彦马建毅林成亮杨国洪韦敏习熊刚吕敏黄成武朱托宋天明赵妍张玉雪张璐李丽灵杜华冰车兴森黎宇坤詹夏宇杨家敏中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳621900 四川大学原子与分子物理研究所成都610065 北京应用物理与计算数学研究所北京100088

受密度及温度等环境效应影响,温稠密物质的电子结构显著变化,其理论描述非常复杂,精密实验数据亦非常缺乏.本文通过发展主动探测的X射线荧光光谱方法,从实验上定量研究了密度效应对温稠密物质电子结构的影响,有助于深入理解温稠密物质... 详细信息

受密度及温度等环境效应影响,温稠密物质的电子结构显著变化,其理论描述非常复杂,精密实验数据亦非常缺乏.本文通过发展主动探测的X射线荧光光谱方法,从实验上定量研究了密度效应对温稠密物质电子结构的影响,有助于深入理解温稠密物质的电子结构变化,并为相关理论模型提供实验验证.在万焦耳激光装置上,设计特殊构型黑腔加载约2倍固体密度、2 eV的Ti样品.利用激光辐照V产生的热发射线泵浦Ti的荧光,并采用高效高分辨的晶体谱仪诊断样品的X射线荧光光谱.实验结果显示,2倍固体密度Ti样品荧光谱线K_(β)与K_(α)的能量差(△EK_(β)-K_(α))相对于冷样品红移约2 eV.理论上采用两种方法进行计算并与实验结果比较,其中有限温度相对论密度泛函方法高估了密度效应对谱线移动的影响,而“two-step Hartree-Fock-Slater”方法低估了密度效应的影响.

关键词：温稠密物质电子结构密度效应 X射线荧光光谱

温稠密物质状态方程的路径积分蒙特卡罗方法研究进展

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计算物理 2023年第2期40卷 258-274页

作者：颜子翔康炜张维岩贺贤土北京邮电大学理学院北京100876 北京大学应用物理与技术研究中心北京100871 北京大学工学院北京100871 中国工程物理研究院绵阳621900 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

首先对路径积分蒙特卡罗(PIMC)方法的基本原理进行详细介绍,重点综述该方法处理费米系统的手段。然后对PIMC方法在计算多种体系的状态方程所取得的成果进行总结比较,分析该方法的优点与不足。最后对PIMC方法未来的发展方向做出展望。

关键词：温稠密物质状态方程路径积分蒙特卡罗

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温稠密物质物态方程的理论研究

物理学报 2017年第3期66卷 143-158页

作者：马桂存张其黎宋红州李琼朱希睿孟续军北京应用物理与计算数学研究所北京100089

本文详细地介绍了温稠密物质物态方程的理论模型,其中包括液体变分微扰理论、化学图像模型、离化电离平衡模型、平均原子模型和INFERNO模型;给出了混合物物态方程的计算方法;对第一原理分子动力学和量子蒙特卡罗方法进行了介绍;对一些... 详细信息

本文详细地介绍了温稠密物质物态方程的理论模型,其中包括液体变分微扰理论、化学图像模型、离化电离平衡模型、平均原子模型和INFERNO模型;给出了混合物物态方程的计算方法;对第一原理分子动力学和量子蒙特卡罗方法进行了介绍;对一些典型材料(如氢、氘、氦、氙、金、钨等)在温稠密区的物态方程进行了计算和总结;分析了离解、电离效应对物态方程的影响.

关键词：温稠密物质物态方程等离子体

温稠密物质中不同价态离子分布对X-射线弹性散射光谱计算的影响

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物理学报 2021年第7期70卷 91-98页

作者：金阳张平李永军侯永曾交龙袁建民国防科技大学文理学院物理系长沙410073 中国工程物理研究院研究生院北京100088

在天体物理和惯性约束聚变研究中涉及到的温稠密物质通常包含多种元素的混合,并且每种元素还被电离成多种离子价态,不同价态离子结构及其丰度将直接影响温稠密物质的诊断及其物理性质.同时,从电子结构计算出发来研究宏观物理性质时,还... 详细信息

在天体物理和惯性约束聚变研究中涉及到的温稠密物质通常包含多种元素的混合,并且每种元素还被电离成多种离子价态,不同价态离子结构及其丰度将直接影响温稠密物质的诊断及其物理性质.同时,从电子结构计算出发来研究宏观物理性质时,还需要考虑温度、密度效应对离子结构的影响.本文从不同价态离子的电子结构计算出发,采用考虑了离子间相互作用的Saha方程获得了稠密环境下的离子丰度,并使用超网链(hypernetted-chain)近似对铝、金以及碳-氢混合物的径向分布函数进行了计算,结合离子周围电子的密度分布,最后获得X-射线汤姆逊散射的弹性散射谱.在X-射线散射谱计算中,计算了温稠密物质中同时存在不同离子价态时的电子结构和径向分布函数,发现在相同的等离子体环境下不同价态离子的径向分布函数和电子结构差别较大.这将对依赖于微观统计过程的物理性质,比如散射光谱,将产生较大的影响.

关键词：温稠密物质径向分布函数超网链近似弹性散射

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强粒子束产生温稠密物质热力学状态估计

强激光与粒子束 2014年第3期26卷 280-285页

作者：郑君陈其峰顾云军权伟龙李治国黄子平张簧石金水邓建军中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

基于能量平衡原理,结合SRIM统计方法,以铝靶为例,对重离子束和强电子束产生高温高密度物质所需的束流参数进行估计,分析各自产生温稠密物质的优缺点.结果显示,从电子辐射能损和束流利用观点来看,1～10 MeV电子束产生温稠密物质具有较好... 详细信息

基于能量平衡原理,结合SRIM统计方法,以铝靶为例,对重离子束和强电子束产生高温高密度物质所需的束流参数进行估计,分析各自产生温稠密物质的优缺点.结果显示,从电子辐射能损和束流利用观点来看,1～10 MeV电子束产生温稠密物质具有较好的均匀性和较高的利用率;而重离子束加载可以获得较宽区域的温稠密物质.

关键词：强电子束重离子束温稠密物质蒙特卡罗方法

激光产生温稠密物质的微观动力学过程及状态诊断

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强激光与粒子束 2020年第9期32卷 78-92页

作者：康冬冬曾启昱张珅王小伟戴佳钰国防科技大学文理学院物理系长沙410072

随着大型激光装置的建立和精密测量技术的发展,强激光与固体相互作用成为实验室产生温稠密物质的一个重要手段。温稠密物质的结构复杂性、瞬态性和非平衡性给理论建模和实验测量带来了巨大挑战。本文系统介绍了激光产生温稠密物质的实... 详细信息

随着大型激光装置的建立和精密测量技术的发展,强激光与固体相互作用成为实验室产生温稠密物质的一个重要手段。温稠密物质的结构复杂性、瞬态性和非平衡性给理论建模和实验测量带来了巨大挑战。本文系统介绍了激光产生温稠密物质的实验手段和理论模拟方法方面的重要进展,分析了其中的电子激发动力学、电子-离子能量弛豫过程、离子动力学等物理过程,总结了温稠密物质状态诊断的实验技术和理论方法,并论述了激光产生温稠密物质的发展趋势。

关键词：温稠密物质激光与物质相互作用电子动力学电子-离子能量弛豫离子动力学状态诊断

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非平衡态对温稠密物质晶格稳定性的影响

非平衡态对温稠密物质晶格稳定性的影响

作者：张琦国防科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着X射线自由电子激光器的发展,自由电子激光等容加热诱导产生温稠密物质的技术已经得到了广泛应用,使得温稠密物质成为了极端条件下原子分子物理的重要研究领域。然而,对于复杂的物质体系,由超快激光导致的电子激发和晶格动力... 详细信息

近年来,随着X射线自由电子激光器的发展,自由电子激光等容加热诱导产生温稠密物质的技术已经得到了广泛应用,使得温稠密物质成为了极端条件下原子分子物理的重要研究领域。然而,对于复杂的物质体系,由超快激光导致的电子激发和晶格动力学的演化等非平衡过程中仍然有很多重要问题亟需解决。本文基于第一性原理的方法,以金属Na、Al、Cu和Au为研究对象,通过改变有限温度密度泛函理论中的电子分布来研究激光诱导的非平衡瞬态下的电子结构,利用小位移方法计算了金属的晶格动力学性质,说明了非平衡瞬态电子结构对金属晶格稳定性的影响。我们发现,在金属的内壳层轨道的电子被激发后,内壳层电子对原子核的屏蔽效应减弱,导致外壳层电子轨道的能量降低,电子更加靠近原子核,但Al与Cu的外壳层电子的局域性情况有很大不同。这是由于Cu中存在d轨道局域电子,屏蔽效应减弱使得Cu的3d电子发生了明显的局域化,在实空间中也明显靠近原子核,而Al的3s轨道电子的局域化则不明显。此外,我们还研究了不同数量的内壳层电子激发后晶格稳定性的变化。随着内壳层激发电子数量的增加,金属Na、Al、Cu和Au的晶格稳定性都会从稳定变为不稳定,在激发的电子数量满足体系的对称性要求时,Na和Al的晶格仍然不稳定,而Cu与Au的晶格又会变得稳定,并且出现了声子硬化现象。为了研究非谐作用对晶格稳定性的影响,我们还计算了Al与Cu处于基态和激发态的势能面并系统地进行了分析。最后,我们研究了价带电子激发与温度效应对晶格稳定性的影响。本文的研究对进一步研究超快激光等容加热实验中温稠密物质的电子结构和晶格动力学有一定帮助。

关键词：温稠密物质非平衡态电子结构电荷分布晶格稳定性势能面

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非平衡态对温稠密物质电子结构的影响

非平衡态对温稠密物质电子结构的影响

作者：张亨宇国防科技大学

学位级别：硕士

激光产生温稠密物质是当前极端条件物态物性研究的重点,其产生过程将带来诸如电子电离等非平衡状态。基于有限温度密度泛函理论的第一原理计算是当前研究温稠密物质的主要方法之一,但其对激发态、空洞态无能为力。本文发展了考虑电子内... 详细信息

激光产生温稠密物质是当前极端条件物态物性研究的重点,其产生过程将带来诸如电子电离等非平衡状态。基于有限温度密度泛函理论的第一原理计算是当前研究温稠密物质的主要方法之一,但其对激发态、空洞态无能为力。本文发展了考虑电子内壳层空洞态的密度泛函理论计算模型,对温稠密金属锂、铝、铜和金被激光激发后产生的非平衡瞬态电子结构进行了研究。根据光子能量的不同,处于内壳层或价带的电子将被激光激发,引起材料的等容加热。我们发现当金属铜的内壳层3s轨道中存在电子空洞时,其3d电子会发生明显的局域化。此外我们利用Kubo-Greenwood方法对上述处于非平衡态材料的电导率进行了计算。与平衡态的情况相比,处于非平衡态材料的电导率会产生较大的变化,并且电子从内壳层轨道激发与从价带激发时导致的电导率变化情况有很大不同。这是由于存在电子空洞时内层电子对原子核的屏蔽效应将会减弱,导致外层电子的轨道能量降低;同时因为激发电子在费米面附近的重新排布,体系的化学势将会升高,这两种机制通过竞争最终决定电导率的变化情况。我们还详细讨论了电子和离子的温度效应对于电导率的影响,这将有助于人们加深激光激发产生温稠密物质的实验中的物理过程的理解和认识。最后,我们研究了体系大小对于直流电导率计算的影响,发现对于液态H而言,获得直流电导率的准确收敛所需体系大小约在千原子的量级。通过考虑本征能级的能量差、能级电子占据数等因素,对Kubo-Greenwood公式中?函数宽度的确定进行了研究,为下一步计算太赫兹波段的电导率奠定了基础。

关键词：温稠密物质密度泛函理论非平衡态电子激发电子结构电导率