《強流質子束與固體靶相互作用的數值模擬研究》是依託華中科技大學，由張雅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：強流質子束與固體靶相互作用的數值模擬研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張雅
- 依託單位：華中科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
強雷射驅動的質子束與固體靶相互作用過程中，固態金屬靶中的電子氣可以被質子束等容加熱到數eV，從而產生高密度低溫度的強耦合量子電漿。該方法是實驗室研究溫稠密物態和高能密度物理的一種有效途徑，必須採用量子流體方法(Quantum Hydrodynamics, QHD)才能準確描述。本研究將建立自洽的自旋量子流體(Spin QHD)和量子流體/粒子模擬(QHD/Particle-In-Cell)模型。利用該模型我們將研究質子束與金屬固體靶相互作用時，質子束的能量損失過程、靶電子的集體激發及被加熱形成溫稠密物質的過程，特別是電子自旋對於上述過程的影響。本研究不僅能夠揭示目前尚不清楚的溫稠密物質和強耦合電漿的基本物理性質，也有望為慣性約束聚變的快點火研究提供參考。
結題摘要
強雷射驅動的質子束與固體靶相互作用過程中，固態金屬靶中的電子氣可以被質子束等容加熱到數eV，從而產生高密度低溫度的強耦合量子電漿。該方法是實驗室研究溫稠密物態和高能密度物理的一種有效途徑，需要採用量子流體方法(Quantum Hydrodynamics,QHD)描述。本研究建立了自洽的自旋量子流體(Spin QHD)和量子流體/粒子模擬(QHD/Particle-In-Cell)模型。利用該模型我們研究了質子束與金屬固體靶相互作用時，質子束的能量損失過程、靶電子的集體激發及被加熱形成溫稠密物質的過程。結果說明(1)量子效應對阻止本領的調製是明顯的，其中自旋效應最為明顯，而且高速時不趨於零，且決定於自旋取向，可能出現負的阻止本領；(2) 二維電磁QHD模擬結果說明由於自生磁場的存在，電子氣密度和溫度的擾動都趨於平衡位置；(3) QHD/PIC方法更適合於模擬質子的動力學運動，而純流體模型只能給出質子束運動的平均效果。我們也採用量子流體模型研究了表面等離激元的邊緣態，包括二維手性（chiral） Berry等離激元的邊緣模式、邊緣態的谷極化、自旋邊緣態的傳輸過程，和金屬薄膜和介質表面等離激元的色散關係。結果表明：（1）量子統計壓強的引入導致了一個新的單方向傳播的手性邊緣模式，對等離激元邊緣態的研究作出了一定貢獻。（2）谷極化發生在特定的一個谷內，取決於偽磁場強度及電子的初始平衡密度。（3）在自旋輸運過程中，克爾旋轉（Kerr rotation）發生在皮秒量級的時間內。（4）量子效應顯著改變了色散關係，所以納米尺寸或高密度電漿系統中，需要考慮量子效應，可以通過薄金屬膜和介電材料的類型來控制，該結果對於量子光學及表面電漿研究有著重要的作用。我們發展的QHD和SQHD模型和程式，不僅是粒子束驅動溫稠密物態領域的有力模擬工具，對於凝聚態物理、光學和低溫電漿物理也有重要的意義和廣泛的套用。
