Hầu hết mọi người đều quen thuộc với chất rắn, chất lỏng và chất khí như ba trạng thái của vật chất. Tuy nhiên, trạng thái thứ tư của vật chất, được gọi là plasma, là dạng vật chất phổ biến nhất trong vũ trụ, được tìm thấy trên khắp hệ mặt trời của chúng ta ở mặt trời và các thiên thể hành tinh khác.
Vì plasma đậm đặc – một hỗn hợp nguyên tử nóng hổi với các electron và ion chuyển động tự do – thường chỉ hình thành dưới áp suất và nhiệt độ cực cao, nên các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu để hiểu các nguyên tắc cơ bản của trạng thái vật chất này. Hiểu cách các nguyên tử phản ứng trong điều kiện áp suất cực cao — một lĩnh vực được gọi là vật lý mật độ năng lượng cao (HEDP) — mang đến cho các nhà khoa học những hiểu biết có giá trị về các lĩnh vực khoa học hành tinh, vật lý thiên văn và năng lượng nhiệt hạch.
>> Tham khảo: Công nghệ mới trên chip tạo ra các xung cực nhanh.
Một câu hỏi quan trọng trong lĩnh vực HEDP là làm thế nào plasma phát ra hoặc hấp thụ bức xạ. Các mô hình hiện tại mô tả sự vận chuyển bức xạ trong plasma dày đặc chủ yếu dựa trên lý thuyết hơn là bằng chứng thực nghiệm.
Trong một bài báo mới được xuất bản trên tạp chí Nature Communications, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Laser (LLE) của Đại học Rochester đã sử dụng tia laser OMEGA của LLE để nghiên cứu cách bức xạ truyền qua plasma dày đặc.
Nghiên cứu do Suxing Hu, một nhà khoa học nổi tiếng và là trưởng nhóm của Nhóm Lý thuyết Vật lý Mật độ Năng lượng Cao tại LLE, đồng thời là phó giáo sư kỹ thuật cơ khí, và Philip Nilson, một nhà khoa học cấp cao trong nhóm Tương tác Laser-Plasma của LLE, dẫn đầu cung cấp dữ liệu thực nghiệm đầu tiên về hành vi của các nguyên tử ở những điều kiện khắc nghiệt. Dữ liệu sẽ được sử dụng để cải thiện các mô hình plasma, cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn về sự tiến hóa của các ngôi sao và có thể hỗ trợ hiện thực hóa phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát như một nguồn năng lượng thay thế.
Hu cho biết: “Các thí nghiệm sử dụng các vụ nổ điều khiển bằng laser trên OMEGA đã tạo ra vật chất cực lớn với áp suất gấp vài tỷ lần áp suất khí quyển trên bề mặt Trái đất để chúng tôi thăm dò cách thức các nguyên tử và phân tử hoạt động ở những điều kiện khắc nghiệt như vậy”. “Những điều kiện này tương ứng với các điều kiện bên trong cái gọi là vỏ của các ngôi sao lùn trắng cũng như các mục tiêu nhiệt hạch quán tính.”
>> Tham khảo: Asphaltene biến thành graphene cho vật liệu tổng hợp.
1. Sử dụng quang phổ tia X
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng quang phổ tia X để đo cách bức xạ được vận chuyển qua các plasma. Quang phổ tia X liên quan đến việc nhắm một chùm bức xạ ở dạng tia X vào một plasma làm bằng các nguyên tử – trong trường hợp này là các nguyên tử đồng – dưới áp suất và nhiệt độ cực cao. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laser OMEGA để tạo ra plasma và tạo ra tia X nhắm vào plasma.
Khi plasma bị tia X bắn phá, các electron trong nguyên tử “nhảy” từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác bằng cách phát ra hoặc hấp thụ các photon ánh sáng. Một máy dò đo lường những thay đổi này, tiết lộ các quá trình vật lý đang xảy ra bên trong plasma, tương tự như chụp x-quang chẩn đoán gãy xương.
>> Tham khảo: Giảm đánh bắt nhầm bằng các biện pháp ngăn chặn cảm biến.
2. Một bước đột phá từ lý thuyết thông thường
Các phép đo thực nghiệm của các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng, khi bức xạ truyền qua plasma dày đặc, sự thay đổi mức năng lượng nguyên tử không tuân theo các lý thuyết thông thường hiện được sử dụng trong các mô hình vật lý plasma – cái gọi là mô hình “giảm liên tục”. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các phép đo mà họ quan sát được trong các thí nghiệm của mình chỉ có thể được giải thích bằng cách sử dụng phương pháp tự phù hợp dựa trên lý thuyết hàm mật độ (DFT). DFT đưa ra một mô tả cơ học lượng tử về liên kết giữa các nguyên tử và phân tử trong các hệ thống phức tạp. Phương pháp DFT lần đầu tiên được mô tả vào những năm 1960 và là chủ đề của giải Nobel Hóa học năm 1998.
Hu nói: “Công trình này tiết lộ các bước cơ bản để viết lại các mô tả trong sách giáo khoa hiện tại về cách thức tạo ra và vận chuyển bức xạ xảy ra trong các plasma dày đặc. “Theo các thí nghiệm của chúng tôi, sử dụng phương pháp DFT tự phù hợp sẽ mô tả chính xác hơn quá trình vận chuyển bức xạ trong plasma dày đặc.”
>> Tham khảo: Những phát hiện hợp chất tự nhiên khi nghiên cứu Benzobactin.
Nilson nói: “Phương pháp tiếp cận của chúng tôi có thể cung cấp một cách đáng tin cậy để mô phỏng quá trình tạo và vận chuyển bức xạ trong các plasma dày đặc gặp phải trong các ngôi sao và các mục tiêu nhiệt hạch quán tính. Sơ đồ thử nghiệm được báo cáo ở đây, dựa trên vụ nổ điều khiển bằng laser, có thể dễ dàng mở rộng ra phạm vi rộng của vật liệu, mở đường cho những nghiên cứu sâu rộng về vật lý nguyên tử cực đoan ở áp suất cực lớn.”
Các nhà nghiên cứu từ Khoa học tính toán lăng kính và Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia và các nhà nghiên cứu bổ sung từ LLE, bao gồm các sinh viên tốt nghiệp vật lý David Bishel và Alex Chin, cũng đóng góp cho dự án này.
