温稠密钠的状态方程与冲击压缩——第一性原理研究

作为简单的碱金属之一，钠一直是冲击物理实验的基础研究对象，但其在高温、高密度区域的状态方程（EOS）尚不明确。通过结合高温下部分电离态的路径积分蒙特卡罗（PIMC）结果 [B. Militzer 和 K. P. Driver, Phys. Rev. Lett. 115, 176403 (2015)] 与较低温度下的密度泛函理论分子动力学（DFT-MD）结果，我们构建了钠在 $1.93-11.60$ g/cm$^{3}$ 密度范围和 $10^3-1.29\times10^8$ K 温度范围内的自洽状态方程。我们发现，PIMC 中的局域化 Hartree-Fock 节点结构在 $2\times10^6$ K 的中间温度下给出的压强和内能与 DFT-MD 结果一致。由于 PIMC 和 DFT-MD 提供了对电子壳层和激发效应的第一性原理处理，我们能够识别冲击 Hugoniot 曲线上对应于 $K$ 壳层和 $L$ 壳层电离的两个压缩极大值。我们的 Hugoniot 曲线为广泛使用的 EOS 模型（SESAME、LEOS 和 Purgatorio）提供了基准。由于环境密度低，钠在冲击 Hugoniot 曲线上具有异常高的第一压缩极大值。在超过 10$^7$ K 时，我们表明辐射效应导致 Hugoniot 曲线上极高的压缩，超过了相对论修正，并观察到冲击速度与粒子速度之间偏离线性关系的程度不断增加。我们还计算了热电离和压致电离过程的温度-密度依赖关系。