الشكل الأكثر شيوعًا للهيدروجين في الكون ليس الغاز عديم اللون والرائحة ولا الجزيئات المحتوية على الهيدروجين مثل الماء المعروفة على الأرض. إنه الهيدروجين الدافئ الكثيف الذي يتكون النجوم و الكواكب. وفي بعض الحالات، يمكن لهذا الهيدروجين أن يوصل الكهرباء مثل المعادن.
اتخذ العلماء في مركز فهم الأنظمة المتقدمة (CASUS) في هيلمهولتز-زينتروم دريسدن-روسندورف (HZDR) خطوة مهمة إلى الأمام لوصف الهيدروجين الكثيف الدافئ بدقة أكثر من أي وقت مضى. واستخدموا طريقة محاكاة تعتمد على أرقام عشوائية.
ولأول مرة، يمكن لنهجهم أن يحل المشكلة الأساسية ديناميات الكم للإلكترونات عندما تتفاعل العديد من ذرات الهيدروجين في ظل الظروف التي توجد عادة في الأجزاء الداخلية للكواكب أو في مفاعلات الاندماج.
أثبت العلماء أن خصائص الهيدروجين الكثيف الدافئ يمكن وصفها بدقة من خلال ما يسمى بمحاكاة كوانتوم مونت كارلو (QMC).
قال بوهم، الذي كان يسعى للحصول على الدكتوراه من خلال عمله في CASUS،: "لا تعتمد طريقتنا على التقديرات التقريبية التي عانت منها الأساليب السابقة. وبدلاً من ذلك، فهو يحسب بشكل مباشر ديناميكيات الكم الأساسية وبالتالي فهو دقيق للغاية. ومع ذلك، فإن نهجنا يحد من القياس، لأنه مكثف من الناحية الحسابية. وعلى الرغم من الاعتماد على أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة، إلا أنه لا يمكننا التعامل إلا مع أرقام الجسيمات في نطاق مكون من رقمين.
في المقام الأول، يعتمد العلماء على عمليات المحاكاة لتوضيح خصائص الهيدروجين والمواد الأخرى في ظل الظروف القاسية. واحد مشهور معروف باسم نظرية الكثافة الوظيفية (دفت). على الرغم من نجاحه، لم يتم وصف الهيدروجين الكثيف الساخن بشكل كافٍ. المبرر الأساسي هو أن النماذج الدقيقة تتطلب فهمًا تفصيليًا لكيفية تفاعل الإلكترونات في الهيدروجين الدافئ الكثيف.
يمكن أن تكون أهمية الطريقة الجديدة واسعة النطاق. من خلال الجمع بين PIMC وDFT ببراعة، قد يكون من الممكن الحصول على دقة طريقة PIMC وسرعة طريقة DFT وقابليتها للتكيف، الأمر الذي يتطلب جهدًا حسابيًا أقل بكثير.
قائد مجموعة المحققين الشباب الدكتور توبياس دورنهايم محمد, "حتى الآن، كان العلماء يبحثون في الضباب للعثور على تقديرات تقريبية موثوقة للارتباطات الإلكترونية في عمليات محاكاة DFT الخاصة بهم. وباستخدام نتائج PIMC لعدد قليل جدًا من الجزيئات كمرجع، يمكنهم الآن ضبط إعدادات عمليات محاكاة DFT الخاصة بهم حتى تتطابق مع نتائج PIMC. ومع تحسين عمليات محاكاة DFT، يجب أن نكون قادرين على تحقيق نتائج دقيقة في أنظمة تتكون من مئات وحتى آلاف الجسيمات.
من خلال تكييف هذا النهج، يمكن للعلماء تعزيز DFT بشكل كبير، مما يؤدي إلى تحسين محاكاة سلوك أي نوع من المادة. في الأبحاث الأساسية، سيسمح بإجراء عمليات محاكاة تنبؤية يحتاج الفيزيائيون التجريبيون إلى مقارنتها بنتائجهم التجريبية من البنى التحتية واسعة النطاق مثل مرفق الليزر الأوروبي للأشعة السينية الحرة والإلكترون (European XFEL) بالقرب من هامبورغ (ألمانيا)، ومصدر الضوء المتماسك Linac (LCLS) في مختبر التسريع الوطني في مينلو بارك أو مرفق الإشعال الوطني (NIF) في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في ليفرمور (كلاهما بالولايات المتحدة الأمريكية).
المرجع مجلة:
- ماكسيميليان بوهمي، زاندوس أ. مولدابيكوف وآخرون. استجابة الكثافة الإلكترونية الثابتة للهيدروجين الكثيف الدافئ: محاكاة مسار Ab Initio المتكاملة لمونت كارلو. فيز. القس ليت. 129 ، 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
