Les atomes et les molécules se comportent très différemment à des températures et des pressions extrêmes. Bien qu'une matière aussi extrême n'existe pas naturellement sur la terre, il existe en abondance dans l'univers, surtout dans les intérieurs profonds des planètes et des étoiles. Comprendre comment les atomes réagissent dans des conditions de haute pression - un domaine connu sous le nom de physique des hautes densités d'énergie (HEDP) - donne aux scientifiques des informations précieuses sur les domaines de la science planétaire, astrophysique, énergie de fusion, et la sécurité nationale.

Une question importante dans le domaine de la science HED est de savoir comment la matière dans des conditions de haute pression pourrait émettre ou absorber des rayonnements de manière différente de notre compréhension traditionnelle.

Dans un article publié en Communication Nature , Suxing Hu, un scientifique distingué et chef de groupe du HEDP Theory Group au Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester (LLE), avec des collègues du LLE et de France, a appliqué la théorie et les calculs de la physique pour prédire la présence de deux nouveaux phénomènes - la transition radiative interspécifique (IRT) et la rupture de la règle de sélection des dipôles - dans le transport du rayonnement dans les atomes et les molécules dans des conditions HEDP. La recherche améliore la compréhension de HEDP et pourrait conduire à plus d'informations sur la façon dont les étoiles et autres objets astrophysiques évoluent dans l'univers.

Qu'est-ce que la transition radiative interspécifique (IRT) ?

La transition radiative est un processus physique qui se déroule à l'intérieur des atomes et des molécules, dans lequel leur ou leurs électrons peuvent « sauter » à partir de différents niveaux d'énergie en rayonnant/en émettant ou en absorbant un photon. Les scientifiques constatent que, pour la matière dans notre vie quotidienne, de telles transitions radiatives se produisent principalement à l'intérieur de chaque atome ou molécule; l'électron fait son saut entre les niveaux d'énergie appartenant à l'atome ou à la molécule, et le saut ne se produit généralement pas entre différents atomes et molécules.

Cependant, Hu et ses collègues prédisent que lorsque les atomes et les molécules sont placés dans des conditions HED, et sont si serrés qu'ils deviennent très proches les uns des autres, les transitions radiatives peuvent impliquer des atomes et des molécules voisins.

"À savoir, les électrons peuvent maintenant sauter des niveaux d'énergie d'un atome à ceux d'autres atomes voisins, " dit Hu.

Quelle est la règle de sélection des dipôles ?

Les électrons à l'intérieur d'un atome ont des symétries spécifiques. Par exemple, les "électrons d'onde s" sont toujours à symétrie sphérique, ce qui signifie qu'ils ressemblent à une balle, avec le noyau situé dans le centre atomique; "électrons d'onde p, " d'autre part, ressemblent à des haltères. Les ondes D et autres états électroniques ont des formes plus compliquées. Les transitions radiatives se produiront principalement lorsque le saut d'électrons suit la règle dite de sélection des dipôles, dans lequel l'électron sautant change de forme de l'onde s à l'onde p, de l'onde p à l'onde d, etc.

Sous la normale, conditions non extrêmes, Hu dit, "on voit à peine des électrons sauter parmi les mêmes formes, de l'onde s à l'onde s et de l'onde p à l'onde p, en émettant ou en absorbant des photons."

Cependant, comme Hu et ses collègues l'ont découvert, lorsque les matériaux sont si serrés dans l'état exotique HED, la règle de sélection des dipôles est souvent décomposée.

"Dans ces conditions extrêmes trouvées au centre des étoiles et des classes d'expériences de fusion en laboratoire, des émissions et des absorptions de rayons X non dipolaires peuvent se produire, ce qui n'a jamais été imaginé auparavant, " dit Hu.

Utiliser des superordinateurs pour étudier Hedp

Les chercheurs ont utilisé des superordinateurs à la fois au Centre d'informatique de recherche intégrée (CIRC) de l'Université de Rochester et au LLE pour effectuer leurs calculs.

"Grâce aux énormes progrès des technologies laser à haute énergie et à puissance pulsée, « apporter des étoiles sur Terre » est devenu une réalité depuis une ou deux décennies, " dit Hu.

Hu et ses collègues ont effectué leurs recherches en utilisant le calcul de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), qui offre une description en mécanique quantique des liaisons entre atomes et molécules dans les systèmes complexes. La méthode DFT a été décrite pour la première fois dans les années 1960, et a fait l'objet du prix Nobel de chimie 1998. Les calculs DFT ont été continuellement améliorés depuis. Une telle amélioration pour permettre aux calculs DFT d'impliquer les électrons du cœur a été faite par Valentin Karasev, scientifique au LLE et co-auteur de l'article.

Les résultats indiquent que de nouvelles raies d'émission/absorption apparaissent dans les spectres de rayons X de ces systèmes de matière extrême, qui proviennent des canaux d'IRT jusqu'alors inconnus et de la rupture de la règle de sélection des dipôles.

Hu et Philip Nilson, scientifique senior au LLE et co-auteur de l'article, planifient actuellement de futures expériences qui consisteront à tester ces nouvelles prédictions théoriques dans l'installation laser OMEGA du LLE. L'installation permet aux utilisateurs de créer des conditions HED exotiques dans des échelles de temps de la nanoseconde, permettant aux scientifiques de sonder les comportements uniques des matières dans des conditions extrêmes.

« Si cela s'avère vrai par des expériences, ces nouvelles découvertes vont profondément changer la façon dont le transport des rayonnements est actuellement traité dans les matériaux HED exotiques, ", dit Hu. "Ces nouveaux canaux d'émission et d'absorption prévus par DFT n'ont jamais été pris en compte jusqu'à présent dans les manuels."