La forma más común de hidrógeno en el universo no es el gas incoloro e inodoro ni las moléculas que contienen hidrógeno como el agua que son bien conocidas en la tierra. Es el hidrógeno tibio y denso que forma estrellas y planetas. En algunas situaciones, este hidrógeno puede incluso conducir electricidad como los metales.
Los científicos del Centro para la Comprensión de Sistemas Avanzados (CASUS) en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han dado un importante paso adelante para describir el hidrógeno denso cálido con la mayor precisión posible. Utilizaron un método de simulación basado en números aleatorios.
Por primera vez, su enfoque puede resolver los problemas fundamentales dinámica cuántica de los electrones cuando muchos átomos de hidrógeno interactúan en condiciones que normalmente se encuentran en el interior de los planetas o en los reactores de fusión.
Los científicos demostraron que las propiedades del hidrógeno cálido y denso podrían describirse con precisión con las llamadas simulaciones Quantum Monte Carlo (QMC).
Böhme, que busca un doctorado con su trabajo en CASUS, dijo: “Nuestro método no se basa en las aproximaciones que sufrieron los enfoques anteriores. En cambio, calcula directamente la dinámica cuántica fundamental y, por lo tanto, es muy preciso. Sin embargo, nuestro enfoque limita el escalado, ya que es computacionalmente intenso. Aunque confiamos en las supercomputadoras más grandes, solo podemos manejar números de partículas en el rango de dos dígitos”.
Principalmente, los científicos confían en simulaciones para dilucidar las características del hidrógeno y otras materias en condiciones extremas. Uno popular es conocido como teoría funcional de la densidad (DFT). A pesar de su éxito, el hidrógeno denso calentado no se ha descrito adecuadamente. La justificación fundamental es que los modelos precisos requieren una comprensión detallada de cómo interactúan los electrones en hidrógeno cálido y denso.
La importancia del nuevo método podría ser extensa. Al combinar ingeniosamente PIMC y DFT, es posible obtener la precisión del método PIMC y la velocidad y adaptabilidad del método DFT, que requiere mucho menos esfuerzo computacional.
Líder del Grupo de Jóvenes Investigadores Dr. Tobias Dornheim dijo, “Hasta ahora, los científicos estaban hurgando en la niebla para encontrar aproximaciones confiables para las correlaciones de electrones en sus simulaciones DFT. Usando los resultados de PIMC para muy pocas partículas como referencia, ahora pueden ajustar la configuración de sus simulaciones DFT hasta que coincidan con los resultados de PIMC. Con las simulaciones DFT mejoradas, deberíamos poder obtener resultados exactos en sistemas de cientos o incluso miles de partículas”.
Al adaptar este enfoque, los científicos podrían mejorar significativamente la DFT, lo que daría como resultado simulaciones mejoradas del comportamiento de cualquier tipo de materia o material. En la investigación fundamental, permitirá simulaciones predictivas que los físicos experimentales necesitan comparar con sus hallazgos empíricos de infraestructuras a gran escala como la Instalación Europea de Láser de Electrones Libres de Rayos X (European XFEL) cerca de Hamburgo (Alemania), la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional de Aceleradores en Menlo Park o la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en Livermore (ambos EE. UU.).
Referencia de la revista:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Respuesta de densidad electrónica estática de hidrógeno denso cálido: simulaciones integrales de Monte Carlo de trayectoria ab initio. física Rev. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
