雖然固體、液體和氣體是人們熟悉的物質狀態，但還有一種叫做等離子體的第四種狀態，這是宇宙中最常見的物質形式。它可以在太陽和我們太陽系的其他天體中找到。然而，密集的等離子體是一種帶有自由移動的電子和離子的熱混合物，只在極高的壓力和溫度條件下出現，這使得科學家充分了解這種物質狀態具有挑戰性。

美國國家航空航天局（NASA）拍攝的從太陽中迸發的等離子體圖片。等離子體–一種帶有自由移動的電子和離子的原子熱湯–是宇宙中最豐富的物質形式，在整個太陽系的太陽和其他行星體中發現。羅切斯特大學研究人員的一項新研究提供了關於輻射如何穿過密集等離子體的實驗數據，這將有助於科學家更好地了解行星科學和聚變能源。資料來源：美國國家航空航天局

高能密度物理學（HEDP）的研究，即研究原子在極端壓力條件下的行為，可以為行星科學、天體物理學和聚變能源等領域提供寶貴的見解。

HEDP領域的一個重要問題是等離子體如何發射或吸收輻射。目前描述密集等離子體中輻射傳輸的模型在很大程度上是基於理論而非實驗證據的。

在《自然通訊》雜誌上發表的一篇新論文中，羅切斯特大學激光能量實驗室（LLE）的研究人員使用LLE的OMEGA激光器研究輻射如何在密集等離子體中傳播。這項研究由LLE的傑出科學家、高能密度物理理論組組長、機械工程副教授Hu Suxing和LLE激光-等離子體相互作用組的高級科學家Philip Nilson領導，提供了關於原子在極端條件下的行為的首次實驗數據。這些數據將被用來改進等離子體模型，使科學家能夠更好地理解恆星的演變，並可能有助於實現受控核聚變作為一種替代能源。

Hu說：”在OMEGA上使用激光驅動的內爆實驗在幾十億倍於地球表面大氣壓力的壓力下創造了極端物質，使我們能夠探測原子和分子在這種極端條件下的行為。這些條件與所謂的白矮星包層以及慣性核聚變目標內部的條件相對應。”

使用X射線光譜學

研究人員使用X射線光譜學來測量輻射是如何通過等離子體傳輸的。X射線光譜學涉及將一束X射線形式的輻射瞄準由原子組成的等離子體–在這種情況下是銅原子–在極度的壓力和熱量下。研究人員使用OMEGA激光器來製造等離子體，並製造瞄準等離子體的X射線。

當等離子體被X射線轟擊時，原子中的電子通過發射或吸收光子從一個能級”跳”到另一個能級。一個探測器測量這些變化，揭示出在等離子體內部發生的物理過程，類似於對骨折進行X射線診斷。

對傳統理論的突破

研究人員的實驗測量表明，當輻射穿過密集的等離子體時，原子能級的變化並不遵循等離子體物理模型中經常使用的傳統量子力學理論–所謂的”連續體降低”模型。相反，研究人員發現，他們在實驗中觀察到的測量結果可以用一種基於密度函數理論（DFT）的自洽方法進行最佳解釋。DFT對複雜系統中原子和分子之間的鍵提供了量子力學描述。DFT方法在20世紀60年代首次被描述，是1998年諾貝爾化學獎的主題。

Hu說：”這項工作揭示了重寫當前教科書中關於密集等離子體中如何產生輻射和傳輸的描述的基本步驟。根據我們的實驗，使用自洽的DFT方法更準確地描述了稠密等離子體中的輻射傳輸，我們的方法可以為模擬恆星和慣性核聚變目標中遇到的緻密等離子體的輻射產生和傳輸提供一個可靠的方法。報告的實驗方案基於激光驅動的內爆，可以很容易地擴展到廣泛的材料，為在巨大壓力下的極端原子物理學的深遠調查開闢了道路。”