Kõige tavalisem vesiniku vorm universumis ei ole värvi- ja lõhnatu gaas ega vesinikku sisaldavad molekulid nagu vesi, mis on maa peal hästi tuntud. See on soe, tihe vesinik, mis moodustab tähed ja planeedid. Mõnes olukorras võib see vesinik isegi elektrit juhtida nagu metallid.
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfi (HZDR) arenenud süsteemide mõistmise keskuse (CASUS) teadlased on astunud olulise sammu edasi sooja tiheda vesiniku kirjeldamiseks nii täpselt kui kunagi varem. Nad kasutasid juhuslikel arvudel põhinevat simulatsioonimeetodit.
Esimest korda saab nende lähenemisviis lahendada põhiküsimuse elektronide kvantdünaamika kui paljud vesinikuaatomid interakteeruvad tingimustes, mida tavaliselt leidub planeetide siseruumides või termotuumasünteesi reaktorites.
Teadlased näitasid, et sooja tiheda vesiniku omadusi saab täpselt kirjeldada niinimetatud Quantum Monte Carlo (QMC) simulatsioonidega.
Böhme, kes omandas doktorikraadi CASUSes, ütles: "Meie meetod ei tugine lähendustele, mida varasemad lähenemisviisid kannatasid. Selle asemel arvutab see otse põhilise kvantdünaamika ja on seetõttu väga täpne. Kuid meie lähenemisviis piirab skaleerimist, kuna see on arvutuslikult intensiivne. Kuigi toetudes suurimatele superarvutitele, suudame osakeste arvuga hakkama saada ainult kahekohalises vahemikus.
Peamiselt tuginevad teadlased simulatsioonidele, et selgitada vesiniku ja muude ainete omadusi äärmuslikes tingimustes. Üks populaarne on tuntud kui tihedusfunktsionaalse teooria (DFT). Vaatamata selle edule ei ole kuumutatud tihedat vesinikku piisavalt kirjeldatud. Põhiline põhjendus on see, et täpsed mudelid nõuavad üksikasjalikku arusaama sellest, kuidas elektronid soojas ja tihedas vesinikus interakteeruvad.
Uue meetodi tähendus võib olla ulatuslik. PIMC ja DFT leidliku kombineerimisega võib olla võimalik saavutada PIMC meetodi täpsus ning DFT meetodi kiirus ja kohandatavus, mis nõuab palju vähem arvutuslikku pingutust.
Noorte uurijate rühma juht dr Tobias Dornheim ütles, "Siiani tuhnisid teadlased udus, et leida oma DFT-simulatsioonides usaldusväärseid lähendusi elektronkorrelatsioonidele. Kasutades võrdlusena väga väheste osakeste PIMC tulemusi, saavad nad nüüd häälestada oma DFT simulatsioonide sätteid, kuni need ühtivad PIMC tulemustega. Täiustatud DFT-simulatsioonide abil peaksime olema võimelised andma täpseid tulemusi sadade kuni isegi tuhandete osakeste süsteemides.
Selle lähenemisviisi kohandamisega saaksid teadlased DFT-d märkimisväärselt parandada, mille tulemuseks on mis tahes tüüpi aine või materjali käitumise täiustatud simulatsioonid. Alusuuringutes võimaldab see ennustavaid simulatsioone, mida eksperimentaalfüüsikud peavad võrdlema oma empiiriliste leidudega suuremahulistest infrastruktuuridest, nagu Hamburgi (Saksamaa) lähedal asuv Euroopa röntgenikiirguse vabaelektronlaseriseade (European XFEL), Linaci koherentne valgusallikas. (LCLS) riiklikus kiirendi laboris Menlo Parkis või National Ignition Facilitys (NIF) Lawrence Livermore'i riiklikus laboris Livermore'is (mõlemad USA).
Ajakirja viide:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov jt. Sooja tiheda vesiniku staatiline elektrooniline tihedus: Ab Initio tee integreeritud Monte Carlo simulatsioonid. Phys. Rev. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066402
