Den mest almindelige form for brint i universet er ikke den farve- og lugtfri gas eller de brintholdige molekyler som vand, der er velkendte på jorden. Det er den varme, tætte brint, der udgør stjerner , planeter. I nogle situationer kan denne brint endda lede elektricitet som metaller.
Forskere ved Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har taget et væsentligt skridt fremad for at beskrive varmt tæt brint så præcist som nogensinde. De brugte en simuleringsmetode baseret på tilfældige tal.
For første gang kan deres tilgang løse det grundlæggende elektronernes kvantedynamik når mange brintatomer interagerer under forhold, der normalt findes i planetens indre eller fusionsreaktorer.
Forskere påviste, at egenskaberne ved varm tæt brint kunne beskrives præcist med såkaldte Quantum Monte Carlo (QMC) simuleringer.
Böhme, der forfølger en doktorgrad med sit arbejde hos CASUS, sagde: "Vores metode er ikke afhængig af de tilnærmelser, tidligere tilgange led under. Den beregner i stedet direkte den grundlæggende kvantedynamik og er derfor meget præcis. Vores tilgang begrænser dog skalering, da den er beregningsmæssigt intens. Selvom vi er afhængige af de største supercomputere, kan vi kun håndtere partikeltal i det tocifrede område."
Forskere er primært afhængige af simuleringer for at belyse egenskaberne af brint og andet stof under ekstreme forhold. En populær er kendt som densitet funktionel teori (DFT). På trods af dens succes er opvarmet tæt brint ikke blevet tilstrækkeligt beskrevet. Den grundlæggende begrundelse er, at nøjagtige modeller kræver en detaljeret forståelse af, hvordan elektroner interagerer i varmt, tæt brint.
Betydningen af den nye metode kan være omfattende. Ved genialt at kombinere PIMC og DFT kan det være muligt at opnå præcisionen af PIMC-metoden og DFT-metodens hastighed og tilpasningsevne, som kræver langt mindre beregningsmæssig indsats.
Young Investigator Group Leader Dr. Tobias Dornheim sagde, "Indtil videre har forskere kigget rundt i tågen for at finde pålidelige tilnærmelser til elektronkorrelationer i deres DFT-simuleringer. Ved at bruge PIMC-resultaterne for meget få partikler som reference, kan de nu tune indstillingerne af deres DFT-simuleringer, indtil de matcher PIMC-resultaterne. Med de forbedrede DFT-simuleringer burde vi være i stand til at give nøjagtige resultater i systemer med hundreder til endda tusindvis af partikler."
Ved at tilpasse denne tilgang kunne forskere forbedre DFT betydeligt, hvilket resulterer i forbedrede simuleringer af opførsel af enhver form for stof eller materiale. I grundforskning vil det tillade forudsigende simuleringer, som eksperimentelle fysikere har brug for at sammenligne med deres empiriske resultater fra storskala infrastrukturer som den europæiske røntgenfrielektronlaserfacilitet (European XFEL) nær Hamborg (Tyskland), Linac Coherent Light Source (LCLS) ved National Accelerator Laboratory i Menlo Park eller National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore (begge USA).
Journal Reference:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Statisk elektronisk densitetsrespons af varmt tæt hydrogen: Ab Initio Path Integral Monte Carlo-simuleringer. Phys. Rev. Lett. 129. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066402
