Эксперимент опровергает представления о том, как на самом деле ведут себя электроны в теплой плотной материи
В теплой плотной материи плотность электронов колеблется. Эти коллективные колебания называются плазмонами. Они несут важную информацию и могут наблюдаться с помощью рентгеновских лучей, в результате чего образуются спектры рассеяния — абстрактные изображения, регистрируемые детектором. Во многих экспериментах эти спектры интерпретируются с использованием упрощенных моделей однородного электронного газа. Однако новые измерения показывают, что для теплого плотного алюминия эти модели постоянно переоценивают энергию плазмона примерно на 25% (около 8 электронвольт) и не воспроизводят полную измеренную форму сигнала. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Рис. Экспериментальная геометрия и диагностика. Источник: Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/86cw-8wm5
Эксперимент проводился на установке высокой плотности энергии (HED-HIBEF) Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) с использованием мощного наносекундного дипольного лазера. Лазер сжимал тонкую алюминиевую фольгу до давления около 50 гигапаскалей (в 500 000 раз превышающего атмосферное давление) и температуры приблизительно 7000 Кельвинов (около 6700 градусов Цельсия). До того, как ударная волна вышла из задней поверхности алюминия, учёные исследовали образец и регистрировали плазмонный сигнал с помощью сверхкоротких рентгеновских импульсов European XFEL.
Использование нескольких методов одновременно — рентгеновского томсоновского рассеяния, рентгеновской дифракции и независимой диагностики ударных волн — позволило сравнить теорию с хорошо определенным экспериментальным состоянием.
По итогу было продемонстрировано, что — в отличие от более простых моделей — современные симуляции на основе зависящей от времени теории функционала плотности надежно воспроизводят экспериментальные наблюдения. Этот метод точно рассчитывает, как электроны реагируют в неупорядоченной атомной структуре сжатой жидкости. Он требует больших вычислительных ресурсов, но в последние годы стал более осуществимым. Учёные утверждают, что такие более подробные симуляции необходимы, когда требуется количественная точность, поскольку положение атомов в жидкости и взаимодействие между электронами и ионами напрямую влияют на отклик электронов.
Аналогичный экспериментальный подход может быть распространен на другие материалы и более высокие температуры, включая условия, характерные для недр планет и топливных мишеней, используемых в лазерном термоядерном синтезе.
