La física de alta densidad de energía (HEDP) es un subcampo de la física que se cruza con la física de la materia condensada , la física nuclear , la astrofísica y la física del plasma . Se ha definido como la física de la materia y la radiación a densidades de energía superiores a aproximadamente 100 GJ/m 3 equivalentes a presiones de aproximadamente 1 Mbar (o aproximadamente 1 millón de veces la presión atmosférica). [1]
La ciencia de la alta densidad de energía (HED, por sus siglas en inglés) incluye el estudio de la materia condensada a densidades comunes en los interiores profundos de los planetas gigantes y de los plasmas calientes típicos de los interiores estelares. [2] Este campo multidisciplinario proporciona una base para comprender una amplia variedad de observaciones astrofísicas y comprender y, en última instancia, controlar el régimen de fusión. En concreto, la ignición termonuclear por confinamiento inercial en el laboratorio (así como la transición de planetas a enanas marrones y estrellas en la naturaleza) se produce a través del régimen HED. Una amplia variedad de capacidades experimentales nuevas y emergentes ( la National Ignition Facility (NIF), la Jupiter Laser Facility (JLF), etc.) junto con el impulso hacia la computación a exaescala ayudan a que esta nueva frontera científica sea rica en descubrimientos. [3]
El dominio HED se define a menudo por una densidad de energía (unidades de presión ) superior a 1 Mbar = 100 GPa ~ 1 millón de atmósferas . Esto es comparable a la densidad de energía de un enlace químico como en una molécula de agua. Por lo tanto, a 1 Mbar, la química tal como la conocemos cambia. Los experimentos en NIF ahora investigan rutinariamente la materia a 100 Mbar. En estas condiciones de "presión atómica", la densidad de energía es comparable a la de los electrones del núcleo interno, por lo que los átomos mismos cambian. El régimen HED denso incluye materia altamente degenerada, con un espaciamiento interatómico menor que la longitud de onda de De Broglie . Esto es similar al régimen cuántico logrado a bajas temperaturas [4] (por ejemplo , condensación de Bose-Einstein ), sin embargo, a diferencia del análogo de baja temperatura, este régimen HED investiga simultáneamente separaciones interatómicas menores que el radio de Bohr . Esto abre un dominio mecánico cuántico completamente nuevo, donde los electrones del núcleo, no solo los electrones de valencia, determinan las propiedades del material y dan lugar a la química de los electrones del núcleo y una nueva complejidad estructural en los sólidos. Entre los posibles comportamientos electrónicos, mecánicos y estructurales exóticos de esta materia se encuentran la superconductividad a temperatura ambiente, los electruros de alta densidad , las transiciones fluido-fluido de primer orden y las nuevas transiciones entre aislantes y metales. Es probable que esta materia sea bastante común en todo el universo y exista en los más de 1000 exoplanetas descubiertos recientemente . [3]
Las condiciones de HED a temperaturas más altas son importantes para el nacimiento y la muerte de estrellas y para controlar la fusión termonuclear en el laboratorio. Tomemos como ejemplo el nacimiento y enfriamiento de una estrella de neutrones . La parte central de una estrella, de ~8 a 20 veces la masa del Sol, se fusiona hasta formar hierro y no puede ir más allá, ya que el hierro tiene la mayor energía de enlace por nucleón de cualquier elemento. A medida que el núcleo de hierro se acumula hasta ~1,4 masas solares, la presión de degeneración de electrones cede contra la gravedad y colapsa. Inicialmente, la estrella se enfría por la rápida emisión de neutrinos . La capa superficial exterior de Fe (~10 9 K) da lugar a la producción espontánea de pares y luego alcanza una temperatura donde la presión de radiación es comparable a la presión térmica y donde la presión térmica es comparable a las interacciones de Coulomb . [3]
Los descubrimientos recientes incluyen el hidrógeno fluido metálico y el agua superiónica . [3]
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