ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ ПРИ ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЯХ

В работе приведены результаты исследования оптических свойств водорода, в частности коэффициентов отражения и преломления электромагнитных волн, при этом диэлектрическая проницаемость вещества описывается обобщенной моделью Друде–Лоренца. В настоящей работе проведено исследование продольных и поперечных спектров колебаний микроскопического ионного тока в водороде при различных значениях температуры и плотности, а также выполнен анализ влияния электронных обменных и корреляционных эффектов. Исследование проводилось на основе эффективного потенциала взаимодействия с учетом коррекции локального поля, полученного из моделирования методом квантового Монте-Карло. Применение точных моделей локального поля, таких как аппроксимации на основе квантово-статистических расчетов, позволяет достоверно воспроизводить транспортные и оптические свойства плотных электронных систем. В частности, учет функции локального поля приводит к существенным поправкам в расчетах оптических и динамических свойств, что критически важно для моделирования горячего плотного вещества, металлизированной плазмы и вырожденных электронных систем.  Кроме того, наличие точной формы функции локального поля позволяет корректно описывать оптические и динамические свойства плазмы, включая коэффициенты отражения и поглощения, собственные моды колебаний. 

1. Lindl, J. Development of the indirect- drive approach to inertial confinement fusion and the target physics basis for ignition and gain. Phys. Plasmas, 2, 3933–4024 (1995). https://doi.org/10.1063/1.871025.

2. Haan, S. W. et al. Design and modeling of ignition targets for the National Ignition Facility. Phys. Plasmas, 2, 2480–2487 (1995). https://doi.org/10.1063/1.871209.

3. Magro, W.R., Ceperley, D.M., Pierleoni, C., and Bernu, B. Molecular Dissociation in Hot, Dense Hydrogen. Phys. Rev. Lett., 76, 1240–1243 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.1240.

4. Weir, S.T., Mitchell, A.C., and Nellis, W.J. Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar). Phys. Rev. Lett., 76, 1860–1863 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.1860.

5. Celliers, P.M. et al. Shock-Induced Transformation of Liquid Deuterium into a Metallic Fluid. Phys. Rev. Lett., 84, 5564 (2000). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.5564.

6. Hu, S. X., Militzer, B., Goncharov, V.N., Skupsky, S. First-principles equation-of-state table of deuterium for inertial confinement fusion applications. Phys. Rev. B., 84, 224109 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.224109.

7. Loubeyre, P., Brygoo, S., et. al. Extended data set for the equation of state of warm dense hydrogen isotopes. Phys. Rev. B., 86, 144115 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.144115.

8. Holst, B., Redmer, R., Desjarlais, M.P. Thermophysical properties of warm dense hydrogen using quantum molecular dynamics simulations. Phys. Rev. B., 77, 184201 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.184201.

9. Lambert, F., Recoules, V., Decoster, A., Clérouin, J., Desjarlais, M. On the transport coefficients of hydrogen in the inertial confinement fusion regime. Phys. Plasmas, 18, 056306 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3574902.

10. Li, D., Ping, Zh., Jun, Y. Quantum molecular dynamics simulations of the thermophysical properties of shocked liquid ammonia for pressures up to 1.3 TPa. The Journal of Chemical Physics, 139, 134505 (2013).https://doi.org/10.1063/1.4823744.

11. Dharma-wardana M.W.C. Electron-ion and ion-ion potentials for modeling warm dense matter: Applications to laser-heated or shock-compressed Al and Si. Physical Review E, 86, 036407 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.86.036407.

12. Hu, S.X., Colins, L.S., et.al. First-principles opacity table of warm dense deuterium for inertialconfinement-fusion applications. Physical Review E, 102, 053209 (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.90.033111.

13. Moldabekov, Zh. A., Groth, S., Dornheim, T., Bonitz, M., Ramazanov, T.S. Ion potential in non-ideal dense quantum plasmas. Contrib. Plasma Phys., 57(10), 532 (2017). https://doi.org/10.1002/ctpp.201700109.

14. Moldabekov, Z., Schoof, T., Ludwig, P., Bonitz, M., Ramazanov, T. Statically screened ion potential and Bohm potential in a quantum plasma. Phys. Plasmas, 22(10), 102104 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4932051.

15. Moldabekov, Zh. A., Ludwig, P., Joost, J.-P., Bonitz, M., Ramazanov, T.S. Dynamical Screening and Wake Effects in Classical, Quantum, and Ultrarelativistic Plasmas. Contrib. Plasma Phys., 55(2–3), 186 (2015). https://doi.org/10.1002/ctpp.201400105.

16. Moldabekov, Zh.A., Ludwig, P., Bonitz, M., Ramazanov, T.S. Theoretical foundations of quantum hydrodynamics for plasmas. Contrib. Plasma Phys., 56(5), 442 (2016). https://doi.org/10.1063/1.5003910.

17. Moldabekov, Zh.A., Amirov, S.M., Ludwig, P., Bonitz, M., Ramazanov, T.S. Effect of the dynamical collision frequency on quantum wakefields. Contrib. Plasma Phys., 59(4–5), e201800161 (2019). https://doi.org/10.1002/ctpp.201800161.

18. Bowen, C., Sugiyama, G. and Alder, B.J. Static dielectric response of the electron gas, Phys. Rev., 50, 14838 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.14838.

19. Moroni, S., Ceperley, D.M. and Senatore, G. Static response from quantum Monte Carlo calculations, Phys. Rev., 69, 1837 (1992). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.69.1837.

20. Perdew, J.P. and Wang, Y. Pair-distribution function and its coupling-constant average for the spinpolarized electron gas, Phys. Rev., 46, 12947 (1992). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.12947.

21. Ramazanov, T.S., Moldabekov, Zh.A., Gabdullin, M.T. Effective potentials of interactions and thermodynamic properties of a nonideal two-temperature dense plasma. Phys. Rev., 92, 023104 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.92.023104.

22. Ramazanov, T.S., Moldabekov, Zh.A., Gabdullin, M.T. Multipole expansion in plasmas: Effective interaction potentials between compound particles. Phys. Rev., 93, 053204 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.053204.

23. Moldabekov, Zh.A., Groth, S., Dornheim, T., Kählert, H., Bonitz, M., Ramazanov, T.S. Structural characteristics of strongly coupled ions in a dense quantum plasma. Phys. Rev., 98, 023207 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.98.023207.

24. Moldabekov, Z.A., Dornheim, T., Bonitz, M. Screening of a test charge in a free-electron gas at warm dense matter and dense non-ideal plasma conditions. Contrib. Plasma Phys., e202000176 (2021). https://doi.org/10.1002/ctpp.202000176.

25. Arista, N.R. and Brandt W. Dielectric response of quantum plasmas in thermal equilibrium. Phys. Rev. A., 29, 1471–1480 (1984). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.29.1471.

26. Dornheim, T., Vorberger, J., Groth, S., Hoffmann, N., Moldabekov, Zh.A., Bonitz, M. The static local field correction of the warm dense electron gas: An ab initio path integral Monte Carlo study and machine learning representation. The Journal of Chemical Physics., 151, P. 194104 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5123013.

27. Dornheim, T., Moldabekov, Zh.A., and Tolias, P. Analytical representation of the local field correction of the uniform electron gas within the effective static approximation. Phys. Rev. B., 103, 165102 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.165102.

28. URL: https://github.com/ToDor90/LFC.

29. Moldabekov, Zh. A., and Dornheim, T., Bonitz, M. Screening of a test charge in a free-electron gas at warm dense matter and dense non-ideal plasma conditions. Contributions to Plasma Physics, 62, e202000176 (2022). https://doi.org/10.1002/ctpp.202000176.

30. Filinov, A.V., Bonitz, M., Ebeling, W.O. Improved Kelbg potential for correlated Coulomb systems. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 36(22), 5957 (2003). https://doi.org/:10.1088/03054470/36/22/317.

31. Nadine Wetta N., Pain, J. Consistent approach for electrical resistivity within Ziman’s theory from solid state to hot dense plasma: Application to aluminum. Physical Review E, 90, 033111 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.102.053209.

32. Lorazo, P., Lewis, L.J., Meunier, M. Short-Pulse Laser Ablation of Solids: From Phase Explosion to Fragmentation. Phys.Rev.Lett., 91, 225502 (2003). https://doi.org/10.1007/s003390000686.

33. Faussurier, G., Blancard, C. Resistivity saturation in warm dense matter. Phys Rev E. Stat Nonlin Soft Matter Phys., 91(1), 013105 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.013105.

34. Pain, J.C., Dejongh, G. Electrical Resistivity in Warm Dense Plasmas Beyond the Average-Atom Model. Contrib. Plasma Phys., 50, 39–45 (2010). https://doi.org/10.1002/ctpp.201010010.

35. Ziman, J.M. A theory of the electrical properties of liquid metals. I: The monovalent metals. The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics, 6(68), 1013–1034 (1961). https://doi.org/10.1080/14786436108243361.

36. Collins, L.A., Bickham, S.R., Kress, J.D., Mazevet, S., Lenosky, T.J., Troullier, N.J., and Windl W. Dynamical and optical properties of warm dense hydrogen. Phys. Rev. B, 63, 184110 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.184110.