Die häufigste Form von Wasserstoff im Universum ist weder das farb- und geruchlose Gas noch die auf der Erde bekannten wasserstoffhaltigen Moleküle wie Wasser. Es ist der warme, dichte Wasserstoff, aus dem es besteht Sterne und Planeten. In manchen Situationen kann dieser Wasserstoff sogar wie Metalle Elektrizität leiten.
Wissenschaftlern des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ist ein bedeutender Schritt nach vorne gelungen, um warmen, dichten Wasserstoff so genau wie nie zuvor zu beschreiben. Sie verwendeten eine Simulationsmethode, die auf Zufallszahlen basierte.
Zum ersten Mal kann ihr Ansatz das Grundlegende lösen Quantendynamik der Elektronen wenn viele Wasserstoffatome unter Bedingungen interagieren, die normalerweise im Inneren von Planeten oder in Fusionsreaktoren zu finden sind.
Wissenschaftler zeigten, dass sich die Eigenschaften von warmem, dichtem Wasserstoff mit sogenannten Quantum-Monte-Carlo-Simulationen (QMC) präzise beschreiben lassen.
Böhme, der mit seiner Arbeit bei CASUS promoviert, sagte: „Unsere Methode basiert nicht auf den Näherungen, unter denen frühere Ansätze gelitten haben. Stattdessen berechnet es direkt die grundlegende Quantendynamik und ist daher sehr präzise. Allerdings schränkt unser Ansatz die Skalierung ein, da er rechenintensiv ist. Obwohl wir auf die größten Supercomputer zurückgreifen, können wir nur Teilchenzahlen im zweistelligen Bereich bewältigen.“
Wissenschaftler verlassen sich in erster Linie auf Simulationen, um die Eigenschaften von Wasserstoff und anderen Stoffen unter extremen Bedingungen aufzuklären. Ein beliebtes ist bekannt als Dichtefunktionaltheorie (DFT). Trotz seines Erfolgs wurde erhitzter dichter Wasserstoff nicht ausreichend beschrieben. Die grundlegende Begründung besteht darin, dass genaue Modelle ein detailliertes Verständnis der Wechselwirkung von Elektronen in warmem, dichtem Wasserstoff erfordern.
Die Bedeutung der neuen Methode könnte weitreichend sein. Durch die raffinierte Kombination von PIMC und DFT könnte es möglich sein, die Präzision der PIMC-Methode und die Geschwindigkeit und Anpassungsfähigkeit der DFT-Methode zu erreichen, die weitaus weniger Rechenaufwand erfordert.
Nachwuchsgruppenleiter Dr. Tobias Dornheim sagte, „Bisher haben Wissenschaftler im Nebel herumgestochert, um in ihren DFT-Simulationen zuverlässige Näherungen für Elektronenkorrelationen zu finden. Mithilfe der PIMC-Ergebnisse für sehr wenige Partikel als Referenz können sie nun die Einstellungen ihrer DFT-Simulationen anpassen, bis sie mit den PIMC-Ergebnissen übereinstimmen. Mit den verbesserten DFT-Simulationen sollten wir in der Lage sein, exakte Ergebnisse in Systemen von Hunderten bis sogar Tausenden von Teilchen zu liefern.“
Durch die Anpassung dieses Ansatzes könnten Wissenschaftler die DFT erheblich verbessern, was zu verbesserten Simulationen des Verhaltens jeglicher Art von Materie oder Material führen würde. In der Grundlagenforschung wird es prädiktive Simulationen ermöglichen, die Experimentalphysiker mit ihren empirischen Erkenntnissen aus großen Infrastrukturen wie der European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) in der Nähe von Hamburg (Deutschland) und der Linac Coherent Light Source vergleichen müssen (LCLS) am National Accelerator Laboratory in Menlo Park oder der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore (beide USA).
Journal Referenz:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Statische elektronische Dichtereaktion von warmem, dichtem Wasserstoff: Ab-initio-Pfadintegral-Monte-Carlo-Simulationen. Physik. Rev. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
