Fyzika vysoké energetické hustoty ( HED Physics ) je obor fyziky na průsečíku fyziky kondenzovaných látek a fyziky plazmatu , který studuje systémy s vysokou hustotou energie . Vysoká je obvykle chápána jako hustota převyšující hustotu energie v atomu vodíku , rovná 10 11 J /m³, což odpovídá tlakům řádově 1 Mbar (10 11 Pa ) [1] .
Předmětem studia fyziky vysoké hustoty energie je látka, jejíž hustota energie přesahuje 10 5 J / cm³, nebo jinými slovy, její vnitřní tlak je vyšší než 1 Mbar (10 11 Pa ). Při takových tlacích každá látka zažívá významnou kompresi a její protony a elektrony , které tvoří součást, přestanou být vázány intraatomickými silami , čímž se vytvoří superhusté plazma . Vysokých tlaků lze také dosáhnout zahřátím látky na vysoké teploty . Například vzduch , který má při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku hustotu asi 10 −3 g/cm³, dosahuje tlaku 1 Mbar při teplotě asi 10 8 K nebo 10 keV . Za těchto podmínek se vzduch ionizuje a také vytváří plazma. Látka s vysokou hustotou energie je podobná plazmatu a kondenzovanému stavu v tom, že na jejích vlastnostech hrají významnou roli kolektivní efekty, ale zároveň oproti tradičnímu plazmatu jsou částice v tomto případě více korelované a srovnávané do běžného kondenzovaného stavu hraje roli více ionizace a Coulombova interakce [2] .
Vznik prvních prací v oblasti fyziky vysoké hustoty energie ve 30. letech 20. století je spojen s vývojem urychlovačů , které umožňovaly fokusovat paprsky energetických částic v malém objemu. Vývoj jaderných zbraní ve 40. letech 20. století také umožnil získat hmotu s vysokou hustotou energie, ale ve formě nevhodné pro systematický vědecký výzkum. V 50. letech 20. století byl vyvinut systém Z-pinch , navržený ke stlačování horkého plazmatu , aby se dosáhlo podmínek nezbytných pro zahájení řízené termonukleární reakce . A na konci 50. - 60. let se objevily a rychle osvojily laserové technologie, které umožnily získat vysoké intenzity optického záření v experimentálních podmínkách . Zároveň vznikla myšlenka využití supervýkonného laserového záření pro účely inerciální termonukleární fúze . Tento vývoj posloužil jako předpoklady pro vznik nové sekce ve fyzice zabývající se studiem vlastností hmoty ve stavu s vysokou hustotou energie.
V 70. letech 20. století lasery postupně zvyšovaly svůj výkon, ale stále neumožňovaly systematický výzkum. Revoluce v experimentální laserové technologii nastala v 80. letech 20. století. V té době byly zvládnuty synchronizační technologie pro několik laserů, které umožňovaly používat lasery v jednom záběru jak k iniciaci určitých procesů, tak k jejich analýze. Současně se objevily technické možnosti pro registraci událostí ultrakrátkého — subnanosekundového — trvání. To otevřelo možnosti pro podrobné studium procesů v husté hmotě vznikající při interakci laserového záření s cíli.
V polovině 80. let 20. století byl učiněn další významný vynález: technologie CPA ( Chirped Pulse Amplification ), která umožnila dramaticky zvýšit výkon a intenzitu záření . Zejména bylo dosaženo intenzity záření více než 10 18 W/cm², při které se energie kmitů elektronů ve vlnovém poli porovnává s jejich klidovou energií , tedy začínají hrát významnou roli relativistické efekty .
V 90. letech byla vyvinuta technologie Z-pinch, bylo vyvinuto tzv. rychlé schéma Z-pinch, které umožnilo výrazně snížit vliv hydrodynamických nestabilit , které neumožňovaly dostatečné stlačení materiálu.
Zároveň pokračoval vývoj akcelerátorových technologií. Například urychlovač SLAC umožnil získat 10 10 elektronů urychlených na energii 50 GeV , přičemž doba trvání elektronového pulsu byla pouze 5 ps a průměr zaostřovacího bodu byl 3 μm . Takový paprsek sám o sobě představuje médium s vysokou hustotou energie, ale lze jej využít i k ozařování jiných látek.
Látka ve stavu s vysokou hustotou energie se v přírodě může vyskytovat v různých situacích. Zároveň, i přes určitou obecnost uvažovaných problémů, má každá oblast výzkumu svá specifika. Historicky jako první vyvstal problém řízené termonukleární fúze a zejména problém inerciální fúze , při jehož řešení je nutné studovat hmotu v superhustém stavu. Dalším směrem, který se objevil o něco později, byla experimentální astrofyzika , v jejímž rámci jsou v pozemských podmínkách modelovány procesy probíhající v astrofyzikálních objektech, jako jsou hvězdy . Samostatně existují problémy interakce supervýkonného laserového záření s hmotou, které nejsou zaměřeny na získání termonukleární reakce, konkrétně mezi takové problémy patří laserové urychlování elektronů a iontů , generování rentgenového záření a získávání attosekundových pulzů.