Fizica densității de înaltă energie ( HED Physics ) este o ramură a fizicii la intersecția fizicii materiei condensate și fizicii plasmei , care studiază sistemele cu o densitate mare de energie . Mare este de obicei înțeleasă ca o densitate care depășește densitatea de energie în atomul de hidrogen , egală cu 10 11 J /m³, care corespunde unor presiuni de ordinul a 1 Mbar (10 11 Pa ) [1] .
Subiectul de studiu al fizicii densității înalte de energie este o substanță în care densitatea de energie depășește 10 5 J /cm³, sau cu alte cuvinte, presiunea sa internă este mai mare de 1 Mbar (10 11 Pa ). La astfel de presiuni, orice substanță suferă o compresie semnificativă, iar protonii și electronii ei constituenți încetează să fie legați de forțe intraatomice , formând o plasmă superdensă . Presiuni mari pot fi realizate și prin încălzirea unei substanțe la temperaturi ridicate . De exemplu, aerul , care la temperatura camerei și presiunea atmosferică are o densitate de aproximativ 10 −3 g/cm³, atinge o presiune de 1 Mbar la o temperatură de aproximativ 10 8 K sau 10 keV . În aceste condiții, aerul ionizează , formând și o plasmă. O substanță cu o densitate mare de energie este similară cu o plasmă și o stare condensată prin aceea că efectele colective joacă un rol semnificativ în proprietățile sale, dar în același timp, în comparație cu plasma tradițională, particulele în acest caz sunt mai corelate și comparate. la o stare condensată obișnuită, mai multă ionizare și interacțiunea Coulomb [2] .
Apariția primelor lucrări în domeniul fizicii de înaltă densitate de energie în anii 1930 este asociată cu dezvoltarea acceleratoarelor , care au făcut posibilă focalizarea fasciculelor de particule energetice într-un volum mic. Dezvoltarea armelor nucleare în anii 1940 a făcut posibilă și obținerea de materie cu o densitate energetică ridicată, dar într-o formă necorespunzătoare cercetării științifice sistematice. În anii 1950, a fost dezvoltat sistemul Z-pinch , conceput pentru a comprima plasma fierbinte pentru a atinge condițiile necesare pentru a iniția o reacție termonucleară controlată . Și la sfârșitul anilor 1950 - 1960, tehnologiile laser au apărut și au fost rapid stăpânite, ceea ce a făcut posibilă obținerea de intensități mari de radiație optică în condiții experimentale . În același timp, a apărut ideea de a utiliza radiații laser de mare putere în scopul fuziunii termonucleare inerțiale . Aceste evoluții au servit drept premise pentru apariția unei noi secțiuni în fizică care se ocupă cu studiul proprietăților materiei într-o stare cu o densitate mare de energie.
În anii 1970, laserele și-au crescut treptat puterea, dar tot nu au permis cercetări sistematice. O revoluție în tehnologia laser experimentală a avut loc în anii 1980. La acea vreme erau stăpânite tehnologiile de sincronizare pentru mai multe lasere, ceea ce făcea posibilă utilizarea laserelor dintr-o singură lovitură atât pentru a iniția anumite procese, cât și pentru a le analiza. În același timp, au apărut posibilități tehnice de înregistrare a evenimentelor de durată ultrascurtă—subnanosecundă. Acest lucru a deschis oportunități pentru un studiu detaliat al proceselor din materia densă formată în timpul interacțiunii radiației laser cu ținte.
La mijlocul anilor 1980, a fost făcută o altă invenție importantă: tehnologia Chirped Pulse Amplification (CPA), care a făcut posibilă creșterea dramatică a puterii și intensității radiațiilor . În special, a fost atinsă o intensitate de radiație de peste 10 18 W/cm², la care energia oscilațiilor electronice din câmpul de undă este comparată cu energia lor de repaus , adică efectele relativiste încep să joace un rol semnificativ .
În anii 1990, a fost dezvoltată tehnologia Z-pinch, a fost dezvoltată așa-numita schemă rapidă Z-pinch, care a făcut posibilă reducerea semnificativă a efectului instabilităților hidrodinamice , care nu a permis comprimarea suficientă a materialului.
În același timp, dezvoltarea tehnologiilor de accelerare a continuat. De exemplu, acceleratorul SLAC a făcut posibilă obținerea a 10 10 electroni accelerați la o energie de 50 GeV , în timp ce durata pulsului de electroni a fost de numai 5 ps , iar diametrul punctului de focalizare a fost de 3 μm . Un astfel de fascicul în sine reprezintă un mediu cu o densitate mare de energie, dar poate fi folosit și pentru a iradia alte substanțe.
O substanță în stare cu o densitate energetică mare în natură poate apărea în diverse situații. În același timp, în ciuda unei anumite generalități a problemelor luate în considerare, fiecare domeniu de cercetare are propriile sale specificități. Din punct de vedere istoric, a apărut mai întâi problema fuziunii termonucleare controlate , și în special problema fuziunii inerțiale , în soluția căreia este necesar să se studieze materia în stare superdensă. O altă direcție, care a apărut puțin mai târziu, a fost astrofizica experimentală , în cadrul căreia procesele care au loc în obiectele astrofizice , cum ar fi stelele , sunt modelate în condiții terestre . Separat, există probleme de interacțiune a radiației laser super-puternice cu materia care nu vizează obținerea unei reacții termonucleare, în special, astfel de probleme includ accelerarea cu laser a electronilor și ionilor , generarea de raze X și obținerea de impulsuri de attosecundă.