La Física de Alta Densidad de Energía ( HED Physics ) es una rama de la física en la intersección de la física de la materia condensada y la física del plasma , que estudia los sistemas con una alta densidad de energía . Alta suele entenderse como una densidad superior a la densidad de energía en el átomo de hidrógeno , igual a 10 11 J /m³, lo que corresponde a presiones del orden de 1 Mbar (10 11 Pa ) [1] .
El objeto de estudio de la física de alta densidad de energía es una sustancia en la que la densidad de energía supera los 10 5 J / cm³, es decir, su presión interna es superior a 1 Mbar (10 11 Pa ). A tales presiones, cualquier sustancia experimenta una compresión significativa, y sus protones y electrones constituyentes dejan de estar unidos por fuerzas intraatómicas , formando un plasma superdenso . También se pueden lograr altas presiones calentando una sustancia a altas temperaturas . Por ejemplo, el aire , que a temperatura ambiente y presión atmosférica tiene una densidad de unos 10−3 g/cm³, alcanza una presión de 1 Mbar a una temperatura de unos 10 8 K o 10 keV . En estas condiciones, el aire se ioniza , formándose también un plasma. Una sustancia con una alta densidad de energía es similar a un plasma y un estado condensado en que los efectos colectivos juegan un papel importante en sus propiedades, pero al mismo tiempo, en comparación con el plasma tradicional, las partículas en este caso están más correlacionadas y comparadas. a un estado condensado ordinario, más ionización e interacción de Coulomb [2] .
La aparición de los primeros trabajos en el campo de la física de alta densidad de energía en la década de 1930 está asociada al desarrollo de los aceleradores , que permitieron enfocar haces de partículas energéticas en un pequeño volumen. El desarrollo de las armas nucleares en la década de 1940 también permitió obtener materia con una alta densidad de energía, pero en una forma inadecuada para la investigación científica sistemática. En la década de 1950 se desarrolló el sistema Z-pinch , diseñado para comprimir plasma caliente para lograr las condiciones necesarias para iniciar una reacción termonuclear controlada . Y a fines de la década de 1950 y 1960, aparecieron y se dominaron rápidamente las tecnologías láser , lo que permitió obtener altas intensidades de radiación óptica en condiciones experimentales . Al mismo tiempo, surgió la idea de utilizar radiación láser de súper alta potencia con fines de fusión termonuclear inercial . Estos desarrollos sirvieron como requisitos previos para el surgimiento de una nueva sección en física que se ocupa del estudio de las propiedades de la materia en un estado con una alta densidad de energía.
En la década de 1970, los láseres aumentaron gradualmente su potencia, pero aún no permitían una investigación sistemática. En la década de 1980 se produjo una revolución en la tecnología láser experimental. En ese momento, se dominaron las tecnologías de sincronización de varios láseres, lo que hizo posible utilizar los láseres de una sola vez tanto para iniciar ciertos procesos como para analizarlos. Al mismo tiempo, aparecieron posibilidades técnicas para registrar eventos de duración ultracorta, subnanosegundos. Esto abrió oportunidades para un estudio detallado de los procesos en la materia densa formados durante la interacción de la radiación láser con los objetivos.
A mediados de la década de 1980, se hizo otro invento importante: la tecnología Chirped Pulse Amplification (CPA), que hizo posible aumentar drásticamente la potencia y la intensidad de la radiación . En particular, se logró una intensidad de radiación de más de 10 18 W/cm², en la cual la energía de las oscilaciones de electrones en el campo de ondas se compara con su energía en reposo , es decir, los efectos relativistas comienzan a jugar un papel importante .
En la década de 1990, se desarrolló la tecnología Z-pinch, se desarrolló el llamado esquema Z-pinch rápido, que permitió reducir significativamente el efecto de las inestabilidades hidrodinámicas , que no permitían comprimir el material lo suficiente.
Al mismo tiempo, continuó el desarrollo de tecnologías de aceleración. Por ejemplo, el acelerador SLAC permitió obtener 10 10 electrones acelerados a una energía de 50 GeV , mientras que la duración del pulso de electrones fue de solo 5 ps , y el diámetro del punto de enfoque fue de 3 μm . Tal haz en sí mismo representa un medio con una alta densidad de energía, pero también puede usarse para irradiar otras sustancias.
Una sustancia en un estado con una alta densidad de energía en la naturaleza puede presentarse en diversas situaciones. Al mismo tiempo, a pesar de cierta generalidad de los temas en consideración, cada área de investigación tiene sus propios detalles. Históricamente, primero surgió el problema de la fusión termonuclear controlada , y en particular el problema de la fusión inercial , en cuya solución es necesario estudiar la materia en estado superdenso. Otra dirección, que apareció un poco más tarde, fue la astrofísica experimental , en cuyo marco se modelan los procesos que ocurren en objetos astrofísicos , como las estrellas , en condiciones terrestres . Por separado, existen problemas de interacción de la radiación láser superpotente con la materia que no tienen como objetivo obtener una reacción termonuclear, en particular, tales problemas incluyen la aceleración láser de electrones e iones , la generación de rayos X y la obtención de pulsos de attosegundos.