มิติใหม่ของการศึกษาพลังงานที่ความหนาแน่นสูงทางฟิสิกส์

          ในสภาวะความเป็นจริงของอะตอมและโมเลกุลจะมีลักษณะพฤติกรรมที่แตกต่างกันอย่างโดยสิ้นเชิงในทางอุณหภูมิและความดัน ถึงแม้ว่าแท้ที่จริงแล้ววัตถุนั้นอาจจะไม่ได้ปรากฏอยู่บนโลกในตามธรรมชาติ ดั่งเช่น ในจักรวาลโดยเฉพาะอย่างยิ่งลึกลงไปในห้วงลึกของดวงดาว และ ดาวเคราะห์ทั้งหลาย ในระบบสุริยะจักรวาล ซึ่งในการทำความเข้าใจที่ว่า อะตอมนั้นจะเกิดปฏิกิริยาภายใต้สภาวะที่ความดันสูงๆนั้นเป็นไปได้อย่างไรกัน เราจะไปรู้จักกันที่มีชื่อว่า พลังงานที่ความหนาแน่นสูงทางฟิสิกส์(high-energy-density physics) ซึ่งจะเป็นส่วนสำคัญที่จะช่วยให้ในเรื่องการศึกษาวิจัยต่อยอดในทางด้าน วิทยาศาสตร์ของดาวเคราะห์ ดาราศาสตร์ และ พลังงานฟิวชั่น และอื่นๆอีกมากมาย ซึ่งงานวิจัยชิ้นนี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวรสาร Nature Communications ซึ่ง  Suxing Hu หัวหน้าทีมวิจัย จาก สถาบันthe University of Rochester Laboratory for Laser Energetics (LLE) ได้ทำการประยุกต์ฟิสิกส์ทฤษฎี และ การคำนวณเพื่อที่จะคาดการณ์ในสองปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นด้วยกัน เช่น การส่งผ่านการแผ่รังสี(interspecies radiative transition) และ กฎของการเลือกประจุ(Diploe selection rule) ซึ่งล้วนแต่เป็นการศึกษาที่อธิบายถึงการเดินทางของการแผ่รังสีและโมเลกุลภายใต้พลังงานที่ความหนาแน่นสูง สามารถติดตามได้ตั้งแต่บัดนี้เป็นต้น


          ต่อมาแล้วอะไรคือ การส่งผ่านการแผ่รังสีกันละ การส่งผ่านการแผ่รังสีคือกระบวนการทางฟิสิกส์อย่างนึงในอะตอม และ โมเลกุล ที่ซึ่งอิเล็กตรอนนั้นสามารถกระโดดไปที่ระดับชั้นพลังงานที่แตกต่างกัน ในช่วงการแพร่หรือดูดกลืนรังสี หรือ ที่ว่ารังสีนี่เป็นกลุ่มก้อนรวมกัน ที่เรียกว่าโฟตอน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาวัตถุรอบๆตัวเราในชีวิตประจำวัน ตัวอย่างเช่น การส่งผ่านการแผ่รังสีที่จะเกิดขึ้นในแต่ละอะตอมหรือโมเลกุล ที่อิเล็กตรอนนั้นจะสามารถกระโดดไปในระดับชั้นพลังงานที่แตกต่างกันที่ซึ่งจะมีส่วนที่สัมพันธ์กันระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลเชิงเดี่ยวในระบบ และ ในการกระโดดของอิเล็กตรอนนั้นอาจจะไม่เกิดขึ้นในความแตกต่างทางอะตอมและโมเลกุล แต่อย่างไรก็ตาม Hu และ ทีมวิจัย นั้นสามารถคาดการณ์เมื่อไหร่ที่อะตอมและโมเลกุลที่อยู่ภายใต้สถานะพลังงานที่ความหนาแน่นสูง(HED) ในขณะที่อะตอมและโมเลกุลนั้นอยู่ใกล้กันมากๆคล้ายกับอะตอมและโมเลกุลนั้น เสมือนคล้ายเป็นเพื่อนบ้านกัน


          หลังจากจบการศึกษาการส่งผ่านการแผ่รังสี และก็มีหัวข้อที่ทางทีมวิจัยได้ศึกษาอีกพฤติกรรมคือ กฎการเลือกประจุ(Diploe selection rule) อิเล็กตรอนในอะตอมนั้นจะมีปริมาตรที่จำเพาะอย่างนึง ตัวอย่างเช่น ที่ออร์บิทัล s-wave electrons จะมีรูปทรงกลมคล้ายกับรูปบอล กับ ตำแหน่งนิวเคลียสในใจกลางอะตอมของต่อมาในออร์บิทัล p-wave ซึ่งจะมีรูปทรงแบบคล้ายดัมเบลล์ยกน้ำหนักซึ่งจะแตกต่างจากออร์บิทัลS ต่อมาในออร์บิทัลD-wave ในสถานะอิเล็กตรอนอื่นๆจะมีรูปทรงทางอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งการส่งผ่านการแผ่รังสีโดยส่วนมากแล้วจะเกิดขึ้นต่อเมื่ออิเล็กตรอนกระโดดไปที่ระดับชั้นพลังงานอื่นๆในสถานะออร์บิทัลต่างๆ ซึ่งจะเรียกว่า กฎการเลือกประจุ(diploe selection) ที่ซึ่งอิเล็กตรอนนั้นเปลี่ยนรูปทรงทางอิเล็กตรอนจาก s-wave ไปยัง p-wave และจาก p-wave ไปยัง d-wave ซึ่งอาจจะเกิดในรูปแบบคล้ายหรือดูดโฟตอนก็เป็นได้ ซึ่งรังสีเอ็กซ์เรย์นั้นมีประจุที่ไม่มีขั้นแล้วสามารถเกิดการดูดและคายรังสีได้ในขณะเดียวกัน Huได้กล่าวไว้


          ในส่วนสุดท้ายคือการนำไปศึกษาร่วมกันกับซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ โดยที่Hu และ ทีมวิจัยได้ทำการศึกษาวิจัยโดยการนำ ทฤษฎีฟังก์ชั่นความหนาแน่น(DFT) ในการคำนวณกลศาสตร์ควอนตั้มของการจับกันระหว่างอะตอมและโมเลกุลในระบบที่ซับซ้อนที่ได้ถูกคิดค้นเมื่อปี1960 ซึ่งทฤษฎีฟังก์ชั่นความหนาแน่น(DFT)จะสามารถคำนวณชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนได้ตามที่ ทีมวิจัยได้อ้างอิงไว้ ซึ่งจากผลการทดลองโดยนำทฤษฎีฟังก์ชั่นความหนาแน่นมาคำนวนนั้นแสดงให้เห็นว่า จะมีลักษณะการดูดและคายในสเปคตรัมของรังสีเอ็กซ์เรย์ของวัตถุในระบบ ซึ่งHu และทีมวิจัยได้วางแผนการศึกษาในอนาคตว่า จะนำหลักการที่ได้กล่าวมาข้างต้นมาทำการคาดการณ์ทฤษฎีใหม่ของ โอเมก้าเลเซอร์โดยจะทำการสร้างพลังงานที่ความหนาแน่นสูงในสถานะรูปแบบใหม่เกิดขึ้นในระดับนาโนสเกล โดยที่ให้นักวิทยาศาสตร์นั้นศึกษาความเป็นเอกลักษณ์ของสถานะวัตถุแบบลึกๆ ซึ่งHu ในกล่าวทิ้งท้ายเอาไว้ว่า ถ้าผลการทดลองนี้เป็นจริง จะทำให้เกิดการค้นพบการเดินทางของการแผ่รังสีในรูปแบบใหม่ของวัสดุที่มีพลังงานของความหนาแน่นสูง ซึ่งจะเป็นอีกมิติใหม่โดยการใช้ ทฤษฎีฟังก์ชั่นความหนาแน่นในการทำนายการดูดกลืนและคายที่ไม่เคยปรากฎในหนังสือมาก่อน ซึ่งงานวิจัยนี้อยู่ในช่วงระหว่างต่อยอดไปอีกในอนาคต


          เกร็ดความรู้ทิ้งท้าย บางคนอาจจะสงสัยว่า อะไรคือ ฟังก์ชั่นความหนาแน่น ซึ่งมีที่มาที่ว่า ถ้าสมมุติในระบบเรามีอิเล็กตรอนหนึ่งตัว วิ่งไปมาชนกับผนังเด้งไปเด้งมา ซึ่งจะเกิดการปล่อยพลังงานออกมา ที่เราเรียกว่า ก้อนของพลังงาน หรือ โฟนอน และมีฟังก์ชั่นคลื่นปะปนออกมาด้วย ซึ่งตรงนี้เราใช้ ทฤษฎีของชโรดิงเงอร์มาอ้างอิง ถึงพฤติกรรมของอิเล็กตรอนตัวเดียว วิ่งชนไปชนมาในกล่องปิดได้ ตามสมการ
 
          ซึ่ง H นั้นจะหมายถึงการกระทำทางฟิสิกส์ของระบบ E คือ พลังงาน และสุดท้าย \(\phi\) คือฟังก์ชั่นคลื่น เราสามารถวิเคราะห์และหาอิเล็กตรอนได้ ต่อเมื่ออิเล็กตรอนนั้นมีตัวเดียว แต่ในทางตรงกันถ้ามีอิเล็กตรอนอยู่จำนวนมาก เราไม่สามารถมานั่งนับหาอิเล็กตรอนได้ในแต่ละตัวเพราะ อาจจะมีเป็นหลายๆล้านตัว ในสสารตัวนึง จึงเกิดทฤษฎีที่เรียกว่า ฟังก์ชั่นความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ซึ่งจะเป็นการศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในสสารต่างๆ ที่มีการกระจายตัวของอิเล็กตรอนที่เป็นกลุ่มหมอกหนาแน่นที่ปกคลุมอยู่บริเวณ สามารถนำมาวิเคราะห์หาค่า ความสัมพันธ์การแลกเปลี่ยนพลังงานของอิเล็กตรอน (Exchange correlation energy) หรือ อื่นๆอีกมากมาย ในระดับสูงยิ่งขึ้นไป

 

ที่มา

• https://scitechdaily.com/new-insights-into-extreme-matter-from-high-energy-density-physics-research/
• https://chem.libretexts.org/
• “Interspecies radiative transition in warm and superdense plasma mixtures” by S. X. Hu, V. V. Karasiev, V. Recoules, P. M. Nilson, N. Brouwer and M. Torrent, 24 April 2020, Nature Communications.
• http://nuclear.rmutphysics.com/blog-sci7/?p=8337