Η πιο κοινή μορφή υδρογόνου στο σύμπαν δεν είναι το χρώμα και το άοσμο αέριο ούτε τα μόρια που περιέχουν υδρογόνο όπως το νερό που είναι πολύ γνωστά στη γη. Είναι το θερμό, πυκνό υδρογόνο που συνθέτει αστέρια και πλανήτες. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό το υδρογόνο μπορεί ακόμη και να μεταφέρει ηλεκτρισμό όπως τα μέταλλα.
Οι επιστήμονες στο Κέντρο Προηγμένων Συστημάτων Κατανόησης (CASUS) στο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για να περιγράψουν το θερμό πυκνό υδρογόνο με την ίδια ακρίβεια όπως ποτέ. Χρησιμοποίησαν μια μέθοδο προσομοίωσης βασισμένη σε τυχαίους αριθμούς.
Για πρώτη φορά, η προσέγγισή τους μπορεί να λύσει τα θεμελιώδη κβαντική δυναμική των ηλεκτρονίων όταν πολλά άτομα υδρογόνου αλληλεπιδρούν κάτω από συνθήκες που συνήθως βρίσκονται στο εσωτερικό των πλανητών ή σε αντιδραστήρες σύντηξης.
Οι επιστήμονες απέδειξαν ότι οι ιδιότητες του θερμού πυκνού υδρογόνου μπορούσαν να περιγραφούν ακριβώς με τις λεγόμενες προσομοιώσεις Quantum Monte Carlo (QMC).
Ο Böhme, κάνοντας διδακτορικό με τη δουλειά του στο CASUS, είπε: «Η μέθοδός μας δεν βασίζεται στις προσεγγίσεις από τις οποίες υπέφεραν οι προηγούμενες προσεγγίσεις. Αντιθέτως, υπολογίζει άμεσα τη θεμελιώδη κβαντική δυναμική και επομένως είναι πολύ ακριβής. Ωστόσο, η προσέγγισή μας περιορίζει την κλιμάκωση, καθώς είναι υπολογιστικά έντονη. Παρόλο που βασιζόμαστε στους μεγαλύτερους υπερυπολογιστές, μπορούμε να χειριστούμε μόνο αριθμούς σωματιδίων σε διψήφιο εύρος».
Κατά κύριο λόγο, οι επιστήμονες βασίζονται σε προσομοιώσεις για να διασαφηνίσουν τα χαρακτηριστικά του υδρογόνου και άλλης ύλης κάτω από ακραίες συνθήκες. Ένα δημοφιλές είναι γνωστό ως λειτουργική θεωρία πυκνότητας (DFT). Παρά την επιτυχία του, το θερμαινόμενο πυκνό υδρογόνο δεν έχει περιγραφεί επαρκώς. Η θεμελιώδης αιτιολόγηση είναι ότι τα ακριβή μοντέλα απαιτούν μια λεπτομερή κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν στο θερμό, πυκνό υδρογόνο.
Η σημασία της νέας μεθόδου θα μπορούσε να είναι εκτεταμένη. Συνδυάζοντας έξυπνα το PIMC και το DFT, μπορεί να είναι δυνατό να κερδίσουμε την ακρίβεια της μεθόδου PIMC και την ταχύτητα και την προσαρμοστικότητα της μεθόδου DFT, η οποία απαιτεί πολύ λιγότερη υπολογιστική προσπάθεια.
Ο επικεφαλής της ομάδας νέων ερευνητών Δρ. Tobias Dornheim είπε, «Μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες έψαχναν στην ομίχλη για να βρουν αξιόπιστες προσεγγίσεις για συσχετίσεις ηλεκτρονίων στις προσομοιώσεις DFT τους. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα PIMC για πολύ λίγα σωματίδια ως αναφορά, μπορούν τώρα να συντονίσουν τις ρυθμίσεις των προσομοιώσεων DFT μέχρι να ταιριάζουν με τα αποτελέσματα PIMC. Με τις βελτιωμένες προσομοιώσεις DFT, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να αποφέρουμε ακριβή αποτελέσματα σε συστήματα εκατοντάδων έως και χιλιάδων σωματιδίων».
Με την προσαρμογή αυτής της προσέγγισης, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να ενισχύσουν σημαντικά το DFT, με αποτέλεσμα βελτιωμένες προσομοιώσεις της συμπεριφοράς κάθε είδους ύλης ή υλικού. Στη θεμελιώδη έρευνα, θα επιτρέψει προγνωστικές προσομοιώσεις που χρειάζονται οι πειραματικοί φυσικοί να συγκρίνουν με τα εμπειρικά τους ευρήματα από υποδομές μεγάλης κλίμακας όπως η Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Λέιζερ Ελεύθερων ακτίνων Χ (European XFEL) κοντά στο Αμβούργο (Γερμανία), η Συνεκτική Πηγή Φωτός Linac (LCLS) στο National Accelerator Laboratory στο Menlo Park ή στο National Ignition Facility (NIF) στο Lawrence Livermore National Laboratory στο Livermore (και οι δύο ΗΠΑ).
Αναφορά στο περιοδικό:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Στατική ηλεκτρονική απόκριση πυκνότητας θερμού πυκνού υδρογόνου: Προσομοιώσεις Monte Carlo Integral Path Ab Initio. Φυσ. Rev. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
