Átomos e moléculas se comportam de maneira muito diferente em temperaturas e pressões extremas. Embora essa matéria extrema não exista naturalmente na terra, existe em abundância no universo, especialmente no interior profundo de planetas e estrelas. Compreender como os átomos reagem sob condições de alta pressão - um campo conhecido como física de alta densidade de energia (HEDP) - dá aos cientistas insights valiosos nos campos da ciência planetária, astrofísica, energia de fusão, e segurança nacional.

Uma questão importante no campo da ciência de HED é como a matéria sob condições de alta pressão pode emitir ou absorver radiação de maneiras diferentes do nosso entendimento tradicional.

Em um artigo publicado em Nature Communications , Suxing Hu, um distinto cientista e líder de grupo do HEDP Theory Group do Laboratório de Laser Energética da Universidade de Rochester (LLE), junto com colegas da LLE e da França, aplicou a teoria da física e cálculos para prever a presença de dois novos fenômenos - transição radiativa interespécies (IRT) e a quebra da regra de seleção dipolo - no transporte de radiação em átomos e moléculas sob condições HEDP. A pesquisa aumenta a compreensão do HEDP e pode levar a mais informações sobre como as estrelas e outros objetos astrofísicos evoluem no universo.

O que é transição radiativa interespécie (Irt)?

A transição radiativa é um processo físico que ocorre dentro de átomos e moléculas, em que seu elétron ou elétrons podem "pular" de diferentes níveis de energia por meio da radiação / emissão ou absorção de um fóton. Os cientistas descobrem que, para a matéria em nossa vida cotidiana, tais transições radiativas acontecem principalmente dentro de cada átomo ou molécula individual; o elétron salta entre os níveis de energia pertencentes ao único átomo ou molécula, e o salto não ocorre normalmente entre átomos e moléculas diferentes.

Contudo, Hu e seus colegas prevêem que, quando átomos e moléculas são colocados em condições HED, e são apertados com tanta força que ficam muito próximos um do outro, as transições radiativas podem envolver átomos e moléculas vizinhos.

"Nomeadamente, os elétrons agora podem saltar dos níveis de energia de um átomo para os de outros átomos vizinhos, "Hu diz.

Qual é a regra de seleção de dipolo?

Os elétrons dentro de um átomo têm simetrias específicas. Por exemplo, "elétrons de onda s" são sempre esfericamente simétricos, o que significa que se parecem com uma bola, com o núcleo localizado no centro atômico; "elétrons de onda p, " por outro lado, parecem halteres. As ondas D e outros estados de elétrons têm formas mais complicadas. As transições radiativas ocorrerão principalmente quando o salto de elétrons seguir a chamada regra de seleção de dipolo, em que o elétron saltante muda sua forma de onda s para onda p, de onda p para onda d, etc.

Sob normal, condições não extremas, Hu diz, "dificilmente se vê elétrons pulando entre as mesmas formas, de onda s para onda s e de onda p para onda p, emitindo ou absorvendo fótons. "

Contudo, como Hu e seus colegas descobriram, quando os materiais são comprimidos tão fortemente no exótico estado HED, a regra de seleção de dipolo é freqüentemente quebrada.

"Sob tais condições extremas encontradas no centro das estrelas e classes de experimentos de fusão de laboratório, emissões e absorções de raios-X não dipolares podem ocorrer, que nunca foi imaginado antes, "Hu diz.

Usando supercomputadores para estudar Hedp

Os pesquisadores usaram supercomputadores no Centro de Computação de Pesquisa Integrada (CIRC) da Universidade de Rochester e no LLE para conduzir seus cálculos.

"Graças aos enormes avanços nas tecnologias de laser de alta energia e de energia pulsada, 'trazer estrelas para a Terra' se tornou realidade nas últimas duas décadas, "Hu diz.

Hu e seus colegas realizaram suas pesquisas usando o cálculo da teoria funcional da densidade (DFT), que oferece uma descrição da mecânica quântica das ligações entre átomos e moléculas em sistemas complexos. O método DFT foi descrito pela primeira vez na década de 1960, e foi o tema do Prêmio Nobel de Química de 1998. Os cálculos DFT foram continuamente aprimorados desde então. Uma dessas melhorias para permitir que os cálculos DFT envolvam os elétrons do núcleo foi feita por Valentin Karasev, cientista do LLE e coautor do artigo.

Os resultados indicam que há novas linhas de emissão / absorção aparecendo nos espectros de raios-X desses sistemas de matéria extrema, que são dos canais previamente desconhecidos de IRT e a quebra da regra de seleção de dipolo.

Hu e Philip Nilson, um cientista sênior do LLE e co-autor do artigo, estão atualmente planejando experimentos futuros que envolverão o teste dessas novas previsões teóricas nas instalações de laser da OMEGA no LLE. A facilidade permite que os usuários criem condições HED exóticas em escalas de tempo de nanossegundos, permitindo que os cientistas investiguem os comportamentos únicos dos assuntos em condições extremas.

"Se comprovado por experimentos, essas novas descobertas mudarão profundamente como o transporte de radiação é tratado atualmente em materiais HED exóticos, "Hu diz." Esses novos canais de emissão e absorção previstos pelo DFT nunca foram considerados até agora nos livros didáticos. "