Física de alta densidad energética

La física de alta densidad energética (HEDP) es un subcampo de la física que abarca la física de la materia condensada , la física nuclear , la astrofísica y la física de plasmas . Se ha definido como la física de la materia y la radiación a densidades energéticas superiores a unos 100 GJ/m³, ^equivalentes a presiones de aproximadamente 1 Mbar (o aproximadamente 1 millón de veces la presión atmosférica). ^{[ 1 ]}

La ciencia de la alta densidad energética (HED) incluye el estudio de la materia condensada a densidades comunes en el interior profundo de los planetas gigantes y plasmas calientes típicos del interior estelar. ^{[ 2 ]} Este campo multidisciplinario proporciona una base para comprender una amplia variedad de observaciones astrofísicas y para entender y, en última instancia, controlar el régimen de fusión. Específicamente, la ignición termonuclear por confinamiento inercial en el laboratorio, así como la transición de planetas a enanas marrones y estrellas en la naturaleza, tiene lugar a través del régimen HED. Una amplia variedad de capacidades experimentales nuevas y emergentes ( Instalación Nacional de Ignición (NIF), Instalación Láser de Júpiter (JLF), etc.), junto con el impulso hacia la computación a exaescala, contribuyen 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 sondean 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 espaciamiento interatómico menor que la longitud de onda de De Broglie . Esto es similar al régimen cuántico alcanzado a bajas temperaturas ^{[ 4 ]} (por ejemplo, condensación de Bose-Einstein ); sin embargo, a diferencia del análogo de baja temperatura, este régimen HED sondea 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 electrones del núcleo y a una nueva complejidad estructural en los sólidos. Entre los posibles comportamientos electrónicos, mecánicos y estructurales exóticos de dicha materia se incluyen la superconductividad a temperatura ambiente, los electrides de alta densidad , las transiciones fluido-fluido de primer orden y nuevas transiciones aislante-metal. Es probable que dicha materia sea bastante común en todo el universo, existiendo en los más de 1000 exoplanetas descubiertos recientemente . ^{[ 3 ]}

Las condiciones HED a temperaturas elevadas son importantes para el nacimiento y la muerte de las estrellas y para controlar la fusión termonuclear en el laboratorio. Tomemos como ejemplo el nacimiento y el enfriamiento de una estrella de neutrones . La parte central de una estrella, con una masa entre 8 y 20 veces la del Sol, se fusiona hasta convertirse en hierro y no puede continuar su fusión, ya que el hierro posee la mayor energía de enlace por nucleón de cualquier elemento. A medida que el núcleo de hierro acumula hasta alcanzar aproximadamente 1,4 masas solares, la presión de degeneración electrónica cede ante la gravedad y la estrella colapsa. Inicialmente, la estrella se enfría mediante la rápida emisión de neutrinos . La capa superficial externa de Fe (aproximadamente ^10⁹ K) da lugar a la producción espontánea de pares y luego alcanza una temperatura en la que la presión de radiación es comparable a la presión térmica, y donde la presión térmica es comparable a las interacciones de Coulomb . ^{[ 3 ]}

Entre los descubrimientos recientes se incluyen el hidrógeno fluido metálico y el agua superiónica . ^{[ 3 ]}

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