量子系统与经典场相互作用保结构几何模拟算法关键技术开发与应用研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11805273
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2901.等离子体基本过程与特性
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

With the fast development of ultra-short pulsed strong laser, high-power microwave, and steady-state strong field techniques, the new disciplines such as high energy density physics, experimental astrophysics, accelerator physics, and modern controlled fusion technologies are experiencing a rapid rise and merging. In these categories, the interaction between strong electromagnetic field and quantum system in plasmas as a core problem exceeds time-dependent perturbative theory, across direct ionization threshold, closes to relativistic limit, and moves into non-linear quantum electrodynamics interval. The strong-field matter states are very complex, where the plasma consists of atoms, molecules, ions, electrons, and photons shows extremely non-linear effects. Then accurate, efficient, and robust non-perturbative methods are needed. This project starts from a self-consistent field model. The Schrödinger-Maxwell equations are used to describe classical electromagnetic field interacts with non-relativistic quantum systems. The Dirac-Maxwell equations are used to describe classical electromagnetic field interacts with relativistic quantum systems. Based on the analysis of configuration and phase spaces geometric structures of physics models, canonical symplectic, non-canonical symplectic, and discrete differential geometric techniques are used to construct universal structure-preserving geometric simulation algorithms on relevant manifolds. Then a first-principle based quantum-system classical-field interaction physics simulation framework can be obtained. The algorithms will be tested by standard single-electron strong-field physics problems. The simulation framework will be used to do long-term multi-scale simulations of a class of frontier problems, such as strong-field ionization, quantum chaos, and nano-cavity quantum electrodynamics etc. This project could provide us with an ab initio simulation capability for quantum-system classical-field interactions with long-term accuracy and fidelity.
随着超短脉冲强激光、高功率微波与稳态强场技术的发展,高能量密度物理、实验天体物理、加速器物理与现代受控核聚变等学科迅速崛起并交融。其中处于核心地位的强电磁场与等离子体中的量子系统相互作用问题超越了含时微扰论,跨越了直接电离阈,已逼近相对论极限。量子系统-经典场相互作用问题表现出复杂的多尺度非线性效应,需要精确、高效、稳定的非微扰处理方法。本课题从自洽场模型出发,用Schrödinger-Maxwell系统描述经典电磁场与非相对论性量子系统相互作用,用Dirac-Maxwell系统描述经典电磁场与相对论性量子系统相互作用,分析物理模型的动力学几何结构,在相应流形上通过正则辛、非正则辛和离散微分几何技术构造保结构几何模拟算法,建立适用于量子系统-经典场相互作用问题的第一性原理计算框架。用量子力学标准问题检验算法。对强场电离、量子混沌、纳米腔量子电动力学等前沿问题进行大规模多尺度数值模拟研究。

结项摘要

以强电磁场与等离子体中的量子系统相互作用现象为核心的极端条件下的辐射与物质相互作用问题在强场物理、高能量密度物理、天体物理、加速器物理与现代受控核聚变等学科及相关交叉领域中占据了主导地位。为精确地处理其中的非线性多尺度效应,更好地研究其中蕴含的复杂物理,需要发展精确、高效、稳定的非微扰数值模拟方法。本项目围绕量子系统与经典场相互作用问题开展了一系列原创性研究,取得的主要研究进展包括建立了自洽的相对论性量子电动力学半离散格点场论,构造了一系列针对经典半离散格点场论的高阶保结构几何模拟算法,设计了极端强场条件下的非平衡态量子场模拟方案,在国产异构高性能计算平台上优化定型了强场量子电动力学保结构实时格点场论程序,实现了非线性Schwinger效应和真空Kerr效应等极端强场问题的高质量数值模拟研究,在纳米等离激元光子学和聚变等离子体物理等交叉方向发展了一系列保结构几何模拟算法并在相关方向成功实现了大量的数值实验。在本项目的支持下,课题组共发表物理学主流期刊论文10篇和国际会议论文1篇,项目研究成果对推进高能量密度物理及相关学科的理论和数值模拟研究有积极意义。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(0)
Gauge-symmetrization method for energy-momentum tensors in high-order electromagnetic field theories
高阶电磁场理论中能量动量张量的规范对称化方法
  • DOI:
    10.1103/physrevd.104.025013
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
    PHYSICAL REVIEW D
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Fan Peifeng;Xiao Jianyuan;Qin Hong
  • 通讯作者:
    Qin Hong
Variational schemes and geometric simulations for a hydrodynamic-electrodynamic model of surface plasmon polaritons
表面等离子体激元流体动力-电动模型的变分方案和几何模拟
  • DOI:
    10.1103/physreve.99.023313
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Physical Review E
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Qiang Chen;Lifei Geng;Xiang Chen;Xiaojun Hao;Chuanchuan Wang;Xiaoyang Wang
  • 通讯作者:
    Xiaoyang Wang
Gauge invariant canonical symplectic algorithms for real-time lattice strong-field quantum electrodynamics
实时晶格强场量子电动力学的规范不变规范辛算法
  • DOI:
    10.1007/jhep02(2021)127
  • 发表时间:
    2019-10
  • 期刊:
    Journal of High Energy Physics
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Qiang Chen;Jianyuan Xiao;Peifeng Fan
  • 通讯作者:
    Peifeng Fan
Explicit structure-preserving geometric particle-in-cell algorithm in curvilinear orthogonal coordinate systems and its applications to whole-device 6D kinetic simulations of tokamak physics
曲线正交坐标系中显式保结构几何粒子内算法及其在托卡马克物理全装置6D动力学模拟中的应用
  • DOI:
    10.1088/2058-6272/abf125
  • 发表时间:
    2020-04
  • 期刊:
    Plasma Science & Technology
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Xiao Jianyuan;Qin Hong
  • 通讯作者:
    Qin Hong
Explicit high-order gauge-independent symplectic algorithms for relativistic charged particle dynamics
用于相对论性带电粒子动力学的显式高阶规范独立辛算法
  • DOI:
    10.1016/j.cpc.2019.04.003
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Computer Physics Communications
  • 影响因子:
    6.3
  • 作者:
    Xiao Jianyuan;Qin Hong
  • 通讯作者:
    Qin Hong

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其他文献

乌海市夏季臭氧污染特征及基于过程分析的成因探究
  • DOI:
    10.13227/j.hjkx.202101094
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    环境科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张瑞欣;陈强;夏佳琦;刘晓;郭文凯;李光耀;陈梅
  • 通讯作者:
    陈梅
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
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  • 通讯作者:
    陈勇
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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可生物降解智能型聚合物的研究进展
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    江西化工
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  • 作者:
    马伟;陈强;顾宏剑;郭赞如
  • 通讯作者:
    郭赞如

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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