The excited states of the warm dense matter (WDM) are considered. The main attention is paid to the so called structured warm dense matter (SWDM). The SWDM has partly (or fully) ionized plasma properties as well as crystal ones. The methods for WDM creation is described shortly. We give situations where SWDM demonstrates crystal or plasma features. The finite temperature density functional theory approach is deployed for description of the fcc LiF crystal in a two-temperature warm dense matter state with hot electrons and cold lattice that is formed after ultrafast energy deposition. The lattice stability and the interatomic bonding at elevated electronic temperatures are studied. The methods of molecular dynamics and collisional-radiative kinetics are used to investigate the plasma properties of WDM.
Рассматриваются возбужденные состояния разогретых плотных веществ (РПВ, WDM - warm dense matter). Основное внимание уделяется подклассу РПВ, который можно назвать структурированным РПВ и которое обладает одновременно свойствами кристалла и свойствами электронной частично (или полностью) ионизованной плазмы. Кратко рассмотрены способы создания структурированных РПВ и возможные способы его диагностики. Приведены примеры проявления структурированным РПВ кристаллических и плазменных свойств. Теория функционала электронной плотности в конечно-температурной формулировке используется для описания г.ц.к. кристалла фторида лития в двухтемпературном разогретом плотном состоянии с горячими электронами и холодной решеткой, которое образуется после сверхбыстрого энерговклада. Анализируются устойчивость решетки и межатомное взаимодействие при повышенных электронных температурах. Методы молекулярной динамики и радиационно-столкновительной кинетики использованы для изучения плазменных свойств структурированных РПВ.
плотные вещества, двухтемпературный разогрев, метод структурирования, фторид лития
1. Saemann A., Eidmann K., Golovkin I.E., Mancini R.C., Andersson E., Förster E., Witte K. Isochoric Heating of Solid Aluminum by Ultrashort Laser Pulses Focused on a Tamped Target // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. P. 4843. 2. Widmann K., Ao T., Foord M.E., Price D.F., Ellis A.D., Springer P.T., Ng A. Single-State Measurement of Electri-cal Conductivity of Warm Dense Gold // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. P. 125002. 3. Hansen S.B., Faenov A.Ya. , Pikuz T.A., Fournier K.B., Shepherd R., Chen H., Widmann K., Wilks S.C., Ping Y., Chung H.K., Niles A., Hunter J.R., Dyer G., Ditmire T. Temperature determination using Kα spectra from M-shell Ti ions // Phys. Rev. E. 2005. V. 72. P. 036408. 4. Ping Y., Hanson D., Koslow I., Ogitsu T., Prendergast D., Schwegler E., Collins G., Ng A. Broadband Dielectric Function of Nonequilibrium Warm Dense Gold // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P. 255003. 5. Zastrau U., Fortmann C., Fäustlin R.R., Cao L.F., Döppner T., Düsterer S., Glenzer S. H., Gregori G., Laarmann T., Lee H. J., Przystawik A., Radcliffe P., Reinholz H., Röpke G., Thiele R., Tiggesbäumker J., Truong N. X., To-leikis S., Uschmann I., Wierling A., Tschentscher T., För-ster E., Redmer R. Bremsstrahlung and line spectroscopy of warm dense aluminum plasma heated by xuv free-electron-laser radiation // Phys. Rev. E. 2008. V. 78. P. 066406. 6. Rosmej O.N., Pikuz S.A. Jr., Fertman A.D., Blazevic A., Korostiy S., Mutin T., Faenov A.Ya., Pikuz T.A., Efremov V.P., Bock R., Fortov V.E., Hoffmann D.H.H. Charge state and stopping dynamics of fast heavy ions in dense matter // Phys. Rev. A. 2005. V. 72. P. 052901. 7. Rosmej O.N., Pikuz S.A. Jr., Korostiy S., Blazevic A., Fertman A., Mutin T., Shevelko V.P., Efremov V.P., Pikuz T.A., Faenov A.Ya., Loboda P., Golubev A.A., Hoffmann D.H.H. Radiation dynamics of fast heavy ions interacting with matter // Laser Part. Beams. 2005. V. 23. P. 79. 8. Pikuz S.A. Jr, Efremov V.P., Rosmej O., Blazevic A., Ko-rostiy S., Fertman A., Shutov A.V., Norman H.E., Hoff-mann D.H.H. Investigations of heavy-ion tracks’ energy deposition inside solid media by methods of x-ray spectros-copy // J. Phys. A. 2006. V. 39. P. 4765. 9. Norman G.E., Stegailov V.V., Valuev A.A. Nanosecond electric explosion of wires: from solid superheating to non-ideal plasma formation // Contrib. Plasma Phys. 2003. V. 43. P. 384. 10. Nagler B., Zastrau U., Fäustlin R.R., Vinko S.M., Whitcher T., Nelson A.J., Sobierajski R., Krzywinski J., Chalupsky J., Abreu E., Bajt S., Bornath T., Burian T., Chapman H., Cihelka J., Döppner T., Düsterer S., Dzelzainis T., Fajardo M., Förster E., Fortmann C., Galtier E., Glenzer S.H., Göde S., Gregori G., Hajkova V., Heimann P., Juha L., Jurek M., Khattak F.Y., Khorsand A.R., Klinger D., Kozlova M., Laarmann T., Lee H.J., Lee R.W., Meiwes-Broer K.-H., Mercere P., Murphy W.J., Przystawik A., Redmer R., Reinholz H., Riley D., Röpke G., Rosmej F., Saksl K., Schott R., Thiele R., Tiggesbäumker J., Toleikis S., Tschentscher T., Uschmann I., Vollmer H.J., Wark J.S. Turning solid aluminium transparent by intense soft X-ray photoionization // Nature Physics. 2009. V. 5. P. 693. 11. Patel P.K., Mackinnon A.J., Key M.H., Cowan T.E., Foord M.E., Allen M., Price D.F., Ruhl H., Springer P.T., Ste-phens R. Isochoric Heating of Solid-Density Matter with an Ultrafast Proton Beam // Phys. Rev. Lett. 2003. V.91. P. 125004. 12. Ланкин А.В., Морозов И.В., Норман Г.Э., Скобелев И.Ю. О релаксации среды после ее возбуждения одиночными быстрыми тяжелыми ионами // ЖЭТФ. 2008. Т. 133. С. 701 - 717. 13. Faenov A.Ya., Lankin A.V., Morozov I.V., Norman G.E., Pikuz S.A. Jr., Skobelev I.Yu. Strongly Coupled Nonequi-librium Nanoplasma Generated by a Fast Single Ion in Sol-ids // Contrib. Plasma Phys. 2009. V. 49. P. 469 – 478. 14. Lankin A.V., Morozov I.V., Norman G.E., Pikuz S.A. Jr., Skobelev I.Yu. Solid-density plasma nanochannel generated by a fast single ion in condensed matter // Phys. Rev. E. 2009. V. 79. P. 036407. 15. Rosmej F.B., Lee R.W., Riley D., Meyer-ter-Vehn J., Krenz A., Tschentscher T., Tauschwitz An., Tauschwitz A., Lisitsa V.S., Faenov A.Ya. Warm Dense Matter and Strongly Coupled Plasmas Created by Intense Heavy Ion Beams and XUV-Free Electron Laser: An Overview of Spectroscopic Methods // J. Phys. Conf. Ser. 2007. V. 72. P. 012007. 16. Riley D., Weaver I., McSherry D., Dunne M., Neely D., Notley M., Nardi E. Direct observation of strong coupling in a dense plasma // Phys. Rev. E. 2002. V. 66. P. 046408. 17. Faenov A.Y., ogamov N.A., Zhakhovskii V.V., Khok-hlov V.A., Nishihara K., Kato Y., Tanaka M. et al. Low-threshold ablation of dielectrics irradiated by picosecond soft X-ray laser pulses // Applied Physics Letters. 2009. V. 94. N. 23. P. 231107. 18. Mermin N.D. Thermal properties of inhomogeneous elec-tron gas // Phys. Rev. 1965. V. 137. P. A1441–A1443. 19. Alavi A., Kohanoff J., Parrinello M., Frenkel D. Ab initio molecular dynamics with exited electrons // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. P. 2599–2602. 20. Agassi D. Phenomenological model for pisosecond-pulse laser annealing of semiconductors // J. Appl. Phys. 1984. V. 55. P. 4376–4383. 21. Tangney P., Fahy S. Density-functional theory approach to ultrafast laser excitation of semiconductors: Application to the A1 phonon in tellurium // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. P. 54302. 22. Recoules V., Clerouin J., Zerah G., Anglade P. M., Maze-vet S. Effect of intense laser irradiation on the lattice stabil-ity of semiconductors and metals // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P. 55503. 23. Silvestrelli P.L., Alavi A., Parrinello M., Frenkel D. Hot electrons and the approach to metallic behaviour in Kx(KCl)1-x // Europhys. Lett. 1996. V. 33. P. 551–556. 24. Silvestrelli P.L., Alavi A., Parrinello M., Frenkel D. Non-metal-metal transition in metal molten-salt solutions // Phys. Rev. B. 1996. V. 53. P. 12750–12760. 25. Silvestrelli P.L. No evidence of a metal-insulator transition in dense hot aluminum: A first-principles study // Phys. Rev. B. 2002. V. 60. P. 16382–16388. 26. Faussurier G., Blancard C., Renaudin P., Silvestrelli P.L. Electrical conductivity of warm expanded Al // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 75106. 27. Clerouin J., Renaudin P., Laudernet Y., Noiret P., Desjar-lais M.P. Electrical conductivity and equation-of-state study of warm dense copper: Measurements and quantum molecular dynamics calculations // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. P. 64203. 28. Mazevet S., Clerouin J., Recoules V., Anglade P.M., Zerah G. Ab-initio simulations of the optical properties of warm dense gold // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 95. P. 85002. Matts-son T. R., Desjarlais M. P. Phase diagram and electrical conductivity of high energy-density water from density functional theory // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. P. 17801. 29. Kresse G., Furthmuller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 11169. 30. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 1758. 31. Alfe D. Phon: A program to calculate phonons using the small displacement method // Comp. Phys. Comm. 2009. 32. Evarestov R.A., Losev M.V. Alllectron LCAOalcula-tions of the LiF crystal phonon spectrum: Influence of the basis set, the exchange-correlation functional, and the su-percell size // J. Comp. Chem. 2009. 33. Lankin А., Norman G. Density and nonideality effects in plasmas // Contributions to Plasma Physics. 2009. V. 49. No. 10. 34. Osterholz J., Brand F., Fischer T., Hemmers D., Cerchez M., Pretzler G., Willi O., Rose S.J. Production of Dense Plasmas with sub-10-fs Laser Pulses // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P. 085002. 35. Nantel M., Ma G., Gu S., Cote C.Y., Umstadter D. Pres-sure Ionization and Line Merging in Strongly Coupled Plasmas Produced by 100-fs Laser Pulses // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80. P. 4442. 36. Maksimchuk A., Nantel M., Ma G., Gu S., Cote C.Y., Um-stadter D., Pikuz S.A., Skobelev I.Yu. and Faenov A.Ya. X-ray radiation from matter in extreme conditions // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2000. V. 65. P. 367.
