Informing spectral models for dense plasmas with K-edge absorption measurements of warm dense copper
Cette étude utilise la spectroscopie d'absorption de rayons X à l'effet K du cuivre en état de matière dense chaude au sein de l'installation laser OMEGA pour démontrer que, bien que les modèles basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité puissent capturer des caractéristiques spectrales clés, les modèles collisionnels-radiatifs actuels avec des corrections de densité ad hoc ne parviennent pas à reproduire pleinement les données expérimentales, soulignant le besoin urgent de l'amélioration de la modélisation atomique dépendante de la densité dans les plasmas de matière dense chaude.
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Pour comprendre comment les étoiles brillent ou comment nous pourrions un jour exploiter la puissance de la fusion, les scientifiques doivent d'abord comprendre un état étrange de la matière qui existe entre un solide et un gaz. C'est ce qu'on appelle la matière dense chaude. Ce n'est pas tout à fait un solide, où les atomes sont verrouillés en place, ni un gaz chaud où les particules volent librement. Au lieu de cela, c'est une soupe chaotique et super-dense où les atomes sont si étroitement comprimés que leurs électrons sont poussés et tirés par leurs voisins de manière complexe. Dans cet environnement, les règles qui régissent la façon dont les atomes absorbent la lumière changent radicalement. Parce que cette matière est si dense, la lumière visible ne peut pas la traverser pour révéler ce qui s'y passe ; seuls les rayons X de haute énergie peuvent pénétrer ce brouillard. En étudiant la façon dont ces rayons X sont absorbés, les chercheurs peuvent apprendre la température et la charge électrique des atomes à l'intérieur, ce qui est essentiel pour modéliser tout, des cœurs des planètes géantes aux conditions à l'intérieur des réacteurs de fusion.
Une équipe de chercheurs a récemment examiné de plus près cet état difficile à étudier en utilisant du cuivre, un métal familier pour tout le monde, mais poussé à des conditions extrêmes. Ils ont utilisé un laser puissant à l'installation OMEGA pour écraser et chauffer une minuscule couche de cuivre enfouie. Le laser a créé des ondes de choc qui ont comprimé le cuivre à une densité de 25 grammes par centimètre cube — soit plus de trois fois la densité du cuivre solide — et l'a chauffé à des températures d'environ 20 électron volts, ce qui correspond à environ 200 000 degrés Celsius. Pour voir ce qui se passait à l'intérieur de ce cuivre super-chauffé et super-dense, l'équipe a projeté un second faisceau de rayons X, plus faible, à travers la cible. Ils se sont concentrés sur une caractéristique spécifique de l'absorption des rayons X appelée le seuil K (K-edge), qui agit comme une empreinte digitale pour les atomes de cuivre, révélant la force avec laquelle leurs électrons internes sont retenus.
Les chercheurs ont comparé leurs mesures à deux manières différentes de prédire le comportement de la matière dans ces conditions. La première méthode, connue sous le nom de modèle collisionnel-radiatif, traite les atomes comme s'ils étaient principalement seuls, en ajoutant des corrections pour tenir compte de l'environnement encombré. La seconde méthode utilise une approche plus fondamentale appelée théorie de la fonctionnelle de la densité, qui calcule la façon dont les électrons de chaque atome au sein de la foule interagissent entre eux simultanément, sans s'appuyer sur ces corrections distinctes. L'équipe a constaté qu'aucune des deux méthodes n'était parfaite, mais qu'elles offraient des perspectives différentes. La première méthode, qui repose sur l'ajout de corrections aux atomes isolés, a eu du mal à prédire précisément où apparaissait l'empreinte du seuil K. Elle pouvait expliquer la forme globale de l'absorption, mais manquait la position précise, suggérant que le simple ajustement des règles pour les atomes isolés ne suffit pas à décrire un plasma dense.
En revanche, la seconde méthode, qui calcule les interactions de toute la foule d'atomes à la fois, a fait un bien meilleur travail pour correspondre à la forme et au comportement global du seuil K par rapport à la première méthode. Cependant, ce n'était pas une correspondance parfaite ; le modèle présentait toujours une séparation entre les caractéristiques clés qui était de 10 à 14 eV plus large que ce qui avait été réellement mesuré. Cela suggère que, bien que la façon dont les électrons modifient leurs niveaux d'énergie dans un environnement aussi dense soit largement un effet collectif qui ne peut être compris en regardant les atomes un par un, le modèle manque encore certains détails plus fins. Les chercheurs ont trouvé que l'image la plus précise des données provient d'une combinaison de ces approches : utiliser la méthode avancée, consciente de la foule, pour obtenir la structure générale, tout en reconnaissant que la méthode plus simple conserve une valeur pour comprendre la variété des différents états atomiques présents.
L'expérience elle-même était un exploit d'ingénierie conçu pour réduire la confusion. L'équipe a amélioré la conception de sa cible en réduisant la couche de cuivre et en ajoutant un meilleur blindage pour s'assurer que les rayons X ne traversent que le cuivre qu'ils souhaitaient étudier, plutôt que d'être floutés par les matériaux environnants. Ils ont également changé la source de leurs rayons X pour un rétroéclairage au titane, qui a fourni un signal beaucoup plus clair que les sources de germanium utilisées lors d'expériences précédentes. Ces améliorations leur ont permis de mesurer l'absorption avec une netteté 23 % supérieure à celle des expériences antérieures. En analysant la pente du seuil K et la force des raies d'absorption plus petites, ils ont pu déduire que le cuivre se trouvait à une température comprise entre 17 et 19 électron volts et avait une charge électrique moyenne d'environ 5 à 6.
En fin de compte, l'étude met en évidence une lacune dans notre compréhension actuelle de la matière sous pression extrême. Le fait que les modèles standards, qui fonctionnent bien pour les gaz moins denses, échouent à prédire le comportement exact du cuivre chaud souligne la nécessité de nouvelles façons de décrire le comportement des atomes lorsqu'ils sont serrés les uns contre les autres. Les résultats montrent que, bien que nous puissions nous rapprocher de la vérité en traitant le plasma comme un système unique et interactif, nous devons encore affiner nos outils pour rendre compte de la mixité complexe des différents états atomiques qui existent dans ces conditions. Ce travail constitue un point de référence crucial pour les théories futures, guidant les scientifiques vers des modèles plus précis qui pourront un jour nous aider à percer les secrets des intérieurs stellaires et la voie vers une énergie de fusion propre.
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