稠密輕質物質中原子核量子交換效應的分子動力學研究

《稠密輕質物質中原子核量子交換效應的分子動力學研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由康冬冬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：稠密輕質物質中原子核量子交換效應的分子動力學研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：康冬冬
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

溫稠密物質的結構和動力學性質在天體物理、地球和行星科學以及慣性約束核聚變領域具有重要的科學意義和巨大的套用價值。本項目以氫、氦等輕質原子組成的稠密輕質物質為研究對象，基於統計力學配分函式的路徑積分表述形式，利用高階Trotter分裂算符方法和高效的交換贗勢計算方法，發展包含原子核量子交換效應以及空間非局域效應的路徑積分分子動力學方法，並結合計算電子結構的密度泛函理論，實現對溫稠密物質的“全量子模擬”。利用該方法，系統地研究稠密輕質物質的結構和動力學性質，闡明其隨溫度和壓強變化的一般規律，揭示極端條件下物質結構中原子分子的量子動力學行為機制，深入理解原子核的量子交換效應對稠密氫的金屬化轉變、結構相變、熔化行為以及光電性質的影響。本項目可為極端條件下物質結構的實驗研究提供理論依據。

結題摘要

隨著強雷射、高能粒子束和Z-箍縮技術的飛速發展，特別是美國國家點火裝置、我國神光系列裝置、高強度X 射線雷射等近年建成或將要建成的新型實驗平台投入使用，實驗室中已經能夠產生極端高壓的稠密物質狀態。研究稠密物質結構和性質成為目前物理學最前沿領域之一，溫稠密物質的結構和動力學性質將會對原子與分子物理、電漿物理、凝聚態物理以及行星科學等基礎學科的發展起到重要的推動作用，在慣性約束聚變、新材料科學、能源工程等領域具有重要的套用價值。本項目發展第一原理路徑積分分子動力學方法，研究在極端高壓條件下原子核的量子效應對稠密輕質物質的靜態平衡結構、相變、動力學性質以及光電性質的影響。研究結果主要包括以下三個方面：第一，研究發現離子量子動力學對稠密氫的結構和動力學性質具有重要影響。在經典模擬中，對離子運動軌跡作時間統計的過程相當於對離子碰撞截面作經典統計，考慮離子的量子效應時，離子碰撞截面就不同於經典統計的結果。在稠密物質中，大角度散射占主導地位，而且量子碰撞的截面小於經典計算的結果，從而使離子的自由程變長，自擴散係數增大。第二，原子核的量子效應對稠密氫的熔化行為具有重要影響。密度在10g/cc-1000g/cc範圍內，量子模擬得到的熔點比經典模擬得到的熔點低10%左右，其原因在於固態氫的原子受晶格勢壘束縛，只能在其平衡位置附近振動，考慮氫原子的量子效應時，氫原子就有一定的機率穿過晶格勢壘離開其平衡位置，使得晶格熔化。第三，原子核的量子效應對稠密氫的液-液相變有重要影響。採用路徑積分分子動力學方法，考慮rVV10范德瓦爾斯泛函和PBE0雜化泛函對能帶的修正，得到的稠密氫液-液相變曲線與量子蒙特卡羅模擬結果高度一致。該項目可以為極端高壓條件下物質結構和性質的實驗研究提供理論參考。