We used molecular dynamics simulations based on density functional theory to study the thermophysical properties of warm dense helium. The influence of different exchange-correlation (XC) functionals was analyzed. We calculated the equation of state at high pressures up to several Mbar and temperatures up to 100 000 K in order to reconstruct recent static, single shock, and quasi-isentropic compression experiments. Furthermore, we calculated the dynamic electrical conductivity and determined the reflectivity and DC conductivity. We compared our results with experimental data and found good agreement between our calculations and the high-pressure experiments. The different XC functionals give similar results in the equation of state calculations, but have a strong impact on the reflectivity and the DC conductivity.

1.
R. L.
Mills
,
D. H.
Liebenberg
, and
J. C.
Bronson
,
Phys. Rev. B
21
,
5137
(
1980
).
2.
H. K.
Mao
,
R. J.
Hemley
,
Y.
Wu
,
A. P.
Jephcoat
,
L. W.
Finger
,
C. S.
Zha
, and
W. A.
Bassett
,
Phys. Rev. Lett.
60
,
2649
(
1988
).
3.
W. L.
Vos
,
M. G. E.
van Hinsberg
, and
J. A.
Schouten
,
Phys. Rev. B
42
,
6106
(
1990
).
4.
F.
Datchi
,
P.
Loubeyre
, and
R. L.
Toullec
,
Phys. Rev. B
61
,
6535
(
2000
).
5.
D.
Santamaría-Pérez
,
G. D.
Mukherjee
,
B.
Schwager
, and
R.
Boehler
,
Phys. Rev. B
81
,
214101
(
2010
).
6.
W. J.
Nellis
,
N. C.
Holmes
,
A. C.
Mitchell
,
R. J.
Trainor
,
G. K.
Governo
,
M.
Ross
, and
D. A.
Young
,
Phys. Rev. Lett.
53
,
1248
(
1984
).
7.
V. Y.
Ternovoi
,
A. S.
Filimonov
,
A. A.
Pyalling
,
V. B.
Mintsev
, and
V. E.
Fortov
,
AIP Conf. Proc.
620
,
107
(
2002
).
8.
M.
Zhernokletov
,
V.
Arinin
,
V.
Buzin
,
Y.
Grigorieva
,
N.
Davydov
, and
V.
Khrustalev
,
AIP Conf. Proc.
1426
,
1411
(
2012
).
9.
M. A.
Mochalov
,
R. I.
Ilkaev
,
V. E.
Fortov
,
A. L.
Mikhailov
,
V. A.
Raevskii
,
V. A.
Ogorodnikov
,
A. A.
Yukhimchuk
,
A. I.
Davydov
,
N. N.
Anashkin
,
V. A.
Arinin
,
A. O.
Blikov
,
A. Y.
Baurin
,
N. B.
Davydov
,
V. A.
Komrakov
,
A. I.
Logvinov
,
S. F.
Manachkin
,
A. V.
Ryzhkov
,
B. I.
Tkachenko
,
A. V.
Fedorov
,
S. A.
Finyushin
,
D. A.
Kalashnikov
,
E. A.
Chudakov
,
E. A.
Pronin
, and
E. A.
Bakulina
,
JETP
119
,
146
(
2014
).
10.
R.
Jeanloz
,
P. M.
Celliers
,
G. W.
Collins
,
J. H.
Eggert
,
K. K. M.
Lee
,
R. S.
McWilliams
,
S.
Brygoo
, and
P.
Loubeyre
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
104
,
9172
(
2007
).
11.
J.
Eggert
,
S.
Brygoo
,
P.
Loubeyre
,
R. S.
McWilliams
,
P. M.
Celliers
,
D. G.
Hicks
,
T. R.
Boehly
,
R.
Jeanloz
, and
G. W.
Collins
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
124503
(
2008
).
12.
P. M.
Celliers
,
P.
Loubeyre
,
J. H.
Eggert
,
S.
Brygoo
,
R. S.
McWilliams
,
D. G.
Hicks
,
T. R.
Boehly
,
R.
Jeanloz
, and
G. W.
Collins
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
184503
(
2010
).
13.
M.
Ross
and
D. A.
Young
,
Phys. Lett. A
118
,
463
(
1986
).
14.
A.
Förster
,
T.
Kahlbaum
, and
W.
Ebeling
,
Laser Part. Beams
10
,
253
(
1992
).
15.
T.
Kahlbaum
and
A.
Förster
,
Fluid Phase Equilib.
76
,
71
(
1992
).
16.
D.
Saumon
,
G.
Chabrier
, and
H. M.
van Horn
,
Astrophys. J. Suppl. Ser.
99
,
713
(
1995
).
17.
V.
Schwarz
,
H.
Juranek
, and
R.
Redmer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
7
,
1990
(
2005
).
18.
C.
Winisdoerffer
and
G.
Chabrier
,
Phys. Rev. E
71
,
026402
(
2005
).
19.
Q.
Chen
,
Y.
Zhang
,
L.
Cai
,
Y.
Gu
, and
F.
Jing
,
Phys. Plasmas
14
,
012703
(
2007
).
20.
M.
Ross
,
F.
Rogers
,
N.
Winter
, and
G.
Collins
,
Phys. Rev. B
76
,
020502
(
2007
).
21.
B.
Holst
,
R.
Redmer
, and
M. P.
Desjarlais
,
Phys. Rev. B
77
,
184201
(
2008
).
22.
W.
Lorenzen
,
B.
Holst
, and
R.
Redmer
,
Phys. Rev. B
82
,
195107
(
2010
).
23.
R.
Redmer
and
B.
Holst
, in
Metal-to-Nonmetal Transitions. Springer Series in Material Sciences
, edited by
R.
Redmer
,
B.
Holst
, and
F.
Hensel
(
Springer
,
Berlin
,
2010
), Vol.
132
, pp.
63
84
.
24.
M. A.
Morales
,
C.
Pierleoni
, and
D. M.
Ceperley
,
Phys. Rev. E
81
,
021202
(
2010
).
25.
M. A.
Morales
,
C.
Pierleoni
,
E.
Schwegler
, and
D. M.
Ceperley
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
,
12799
(
2010
).
26.
J. M.
McMahon
,
M. A.
Morales
,
C.
Pierleoni
, and
D. M.
Ceperley
,
Rev. Mod. Phys.
84
,
1607
(
2012
).
27.
A.
Kietzmann
,
B.
Holst
,
R.
Redmer
,
M. P.
Desjarlais
, and
T. R.
Mattsson
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
190602
(
2007
).
28.
L.
Stixrude
and
R.
Jeanloz
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
105
,
11071
(
2008
).
29.
F.
Soubiran
,
S.
Mazevet
,
C.
Winisdoerffer
, and
G.
Chabrier
,
Phys. Rev. B
86
,
115102
(
2012
).
30.
Z.-G.
Li
,
Y.
Cheng
,
Q.-F.
Chen
, and
X.-R.
Chen
,
Phys. Plasmas
23
,
052701
(
2016
).
31.
W.
Zhang
,
Z.
Li
,
Z.
Fu
,
J.
Dai
,
Q.
Chen
, and
L.
Cai
,
Sci. Rep.
7
,
41885
(
2017
).
32.
33.
B.
Militzer
,
Phys. Rev. B
79
,
155105
(
2009
).
34.
S. A.
Khairallah
and
B.
Militzer
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
106407
(
2008
).
35.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
36.
R.
Armiento
and
A. E.
Mattsson
,
Phys. Rev. B
72
,
085108
(
2005
).
37.
É. D.
Murray
,
K.
Lee
, and
D. C.
Langreth
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
2754
(
2009
).
38.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
118
,
8207
(
2003
).
39.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
124
,
219906
(
2006
).
40.
M. D.
Knudson
and
M. P.
Desjarlais
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
225501
(
2009
).
41.
M. D.
Knudson
and
M. P.
Desjarlais
,
Phys. Rev. B
88
,
184107
(
2013
).
42.
M. P.
Desjarlais
,
M. D.
Knudson
, and
K. R.
Cochrane
,
J. Appl. Phys.
122
,
035903
(
2017
).
43.
S.
Brygoo
,
M.
Millot
, and
P.
Loubeyre
,
J. Appl. Phys.
118
,
195901
(
2015
).
44.
P.
Loubeyre
,
S.
Brygoo
,
J.
Eggert
,
P. M.
Celliers
,
D. K.
Spaulding
,
J. R.
Rygg
,
T. R.
Boehly
,
G. W.
Collins
, and
R.
Jeanloz
,
Phys. Rev. B
86
,
144115
(
2012
).
45.
R.
Kubo
,
J. Phys. Soc. Jpn.
12
,
570
(
1957
).
46.
D. A.
Greenwood
,
Proc. Phys. Soc.
71
,
585
(
1958
).
47.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
48.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
49.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
50.
J.
Hafner
,
J. Comput. Chem.
29
,
2044
(
2008
).
51.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
52.
A.
Baldereschi
,
Phys. Rev. B
7
,
5212
(
1973
).
53.
M. P.
Desjarlais
,
J. D.
Kress
, and
L. A.
Collins
,
Phys. Rev. E
66
,
025401(R)
(
2002
).
54.
B.
Holst
,
M.
French
, and
R.
Redmer
,
Phys. Rev. B
83
,
235120
(
2011
).
55.
D. B.
Melrose
and
R. C.
McPhedran
,
Electromagnetic Processes in Dispersive Media
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
1991
).
56.
S.
Mazevet
,
J. D.
Kress
,
L. A.
Collins
, and
P.
Blottiau
,
Phys. Rev. B
67
,
054201
(
2003
).
57.
S.
Mazevet
,
M. P.
Desjarlais
,
L. A.
Collins
,
J. D.
Kress
, and
N. H.
Magee
,
Phys. Rev. E
71
,
016409
(
2005
).
58.
M.
Gajdoš
,
K.
Hummer
,
G.
Kresse
,
J.
Furthmüller
, and
F.
Bechstedt
,
Phys. Rev. B
73
,
045112
(
2006
).
59.
M.
French
and
R.
Redmer
,
Phys. Plasmas
24
,
092306
(
2017
).
60.
J.
Klimeš
,
D. R.
Bowler
, and
A.
Michaelides
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
022201
(
2010
).
61.
A.
Dewaele
,
J. H.
Eggert
,
P.
Loubeyre
, and
R.
Le Toullec
,
Phys. Rev. B
67
,
094112
(
2003
).
62.
M.
Lallemand
and
D.
Vidal
,
J. Chem. Phys.
66
,
4776
(
1977
).
63.
K.
Lee
,
E. D.
Murray
,
L.
Kong
,
B. L.
Lundquist
, and
D. C.
Langreth
,
Phys. Rev. B
82
,
081101
(
2010
).
64.
A.
Tkatchenko
and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
073005
(
2009
).
65.
A.
Becker
,
W.
Lorenzen
,
J.
Fortney
,
N.
Nettelmann
,
M.
Schöttler
, and
R.
Redmer
,
Astrophys. J. Suppl. Ser.
215
,
21
(
2014
).
66.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
67.
J. C.
Smith
,
F.
Sagredo
, and
K.
Burke
, “
Warming up density functional theory
,” in
Frontiers of Quantum Chemistry
(
Springer
,
2017
), pp.
249
271
.
68.
M.
Zhernokletov
,
V.
Gryaznov
,
V.
Arinin
,
V.
Buzin
,
N.
Davydov
,
R.
Il'kaev
,
I.
Iosilevskiy
,
A.
Mikhailov
,
M.
Novikov
,
V.
Khrustalev
, and
V.
Fortov
,
JETP Lett.
96
,
432
(
2012
).
69.
M. A.
Mochalov
,
R. I.
Il'kaev
,
V. E.
Fortov
,
A. L.
Mikhailov
,
V. A.
Arinin
,
A. O.
Blikov
,
A. Y.
Baurin
,
V. A.
Komrakov
,
V. A.
Ogorodnikov
,
A. V.
Ryzhkov
, and
A. A.
Yukhimchuk
,
JETP Lett.
96
,
158
(
2012
).
70.
M. A.
Mochalov
,
R. I.
Il'kaev
,
V. E.
Fortov
,
A. L.
Mikhailov
,
Y. M.
Makarov
,
V. A.
Arinin
,
A. O.
Blikov
,
A. Y.
Baurin
,
V. A.
Komrakov
,
V. A.
Ogorodnikov
,
A. V.
Ryzhkov
,
E. A.
Pronin
, and
A. A.
Yukhimchuk
,
J. Exp. Theor. Phys.
115
,
614
(
2012
).
71.
M. A.
Mochalov
,
R. I.
Il'kaev
,
V. E.
Fortov
,
A. L.
Mikhailov
,
V. A.
Arinin
,
A. O.
Blikov
,
V. A.
Komrakov
,
A. V.
Ryzhkov
,
V. A.
Ogorodnikov
, and
A. A.
Yukhimchuk
,
JETP Lett.
101
,
519
(
2015
).
72.
A.
Becker
,
N.
Nettelmann
,
B.
Holst
, and
R.
Redmer
,
Phys. Rev. B
88
,
045122
(
2013
).
73.
P. M.
Kowalski
,
S.
Mazevet
,
D.
Saumon
, and
M.
Challacombe
,
Phys. Rev. B
76
,
075112
(
2007
).
74.
D. A.
Young
,
A. K.
McMahan
, and
M.
Ross
,
Phys. Rev. B
24
,
5119
(
1981
).
75.
V.
Fortov
and
I.
Iakubov
,
Physics of Nonideal Plasma
(
Hemisphere Publishing
,
1990
).
76.
M. D.
Knudson
,
M. P.
Desjarlais
,
A.
Becker
,
R. W.
Lemke
,
K. R.
Cochrane
,
M. E.
Savage
,
D. E.
Bliss
,
T. R.
Mattsson
, and
R.
Redmer
,
Science
348
,
1455
(
2015
).
You do not currently have access to this content.