رایج ترین شکل هیدروژن در کیهان، گاز بی رنگ و بی بو و یا مولکول های حاوی هیدروژن مانند آب نیست که در زمین به خوبی شناخته شده است. این هیدروژن گرم و متراکم است که تشکیل می دهد ستاره ها و سیارات. در برخی شرایط، این هیدروژن حتی می تواند مانند فلزات الکتریسیته را هدایت کند.
دانشمندان مرکز درک سیستم های پیشرفته (CASUS) در Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) یک گام مهم به جلو برای توصیف هیدروژن متراکم گرم به همان دقت قبلی برداشته اند. آنها از روش شبیه سازی مبتنی بر اعداد تصادفی استفاده کردند.
برای اولین بار، رویکرد آنها می تواند اساسی را حل کند دینامیک کوانتومی الکترون ها زمانی که بسیاری از اتم‌های هیدروژن تحت شرایطی که معمولاً در فضای داخلی سیاره‌ها یا راکتورهای همجوشی یافت می‌شوند، برهم کنش می‌کنند.
دانشمندان نشان دادند که خواص هیدروژن متراکم گرم را می‌توان دقیقاً با شبیه‌سازی‌های مونت کارلو کوانتومی (QMC) توصیف کرد.
بومه که با کارش در CASUS مدرک دکترا را دنبال کرد، گفت: «روش ما به تقریبی که رویکردهای قبلی از آن رنج می برد متکی نیست. در عوض مستقیماً دینامیک کوانتومی اساسی را محاسبه می کند و بنابراین بسیار دقیق است. با این حال، رویکرد ما مقیاس بندی را محدود می کند، زیرا از نظر محاسباتی شدید است. حتی با وجود تکیه بر بزرگترین ابررایانه ها، ما فقط می توانیم اعداد ذرات در محدوده دو رقمی را مدیریت کنیم.
در درجه اول، دانشمندان برای روشن کردن ویژگی‌های هیدروژن و سایر مواد در شرایط شدید بر شبیه‌سازی‌ها تکیه می‌کنند. یکی از محبوب ها به عنوان شناخته شده است نظریه کاربردی چگالی (DFT). با وجود موفقیت آن، هیدروژن متراکم گرم شده به اندازه کافی توصیف نشده است. توجیه اساسی این است که مدل های دقیق نیاز به درک دقیقی از نحوه تعامل الکترون ها در هیدروژن گرم و متراکم دارند.
اهمیت روش جدید می تواند گسترده باشد. با ترکیب هوشمندانه PIMC و DFT، ممکن است بتوان به دقت روش PIMC و سرعت و سازگاری روش DFT دست یافت، که به تلاش محاسباتی بسیار کمتری نیاز دارد.
دکتر توبیاس دورنهایم، رهبر گروه محقق جوان گفت:, «تاکنون، دانشمندان در مه جستجو می‌کردند تا تقریب‌های قابل اعتمادی برای همبستگی‌های الکترونی در شبیه‌سازی‌های DFT خود بیابند. با استفاده از نتایج PIMC برای ذرات بسیار کمی به عنوان مرجع، آنها اکنون می توانند تنظیمات شبیه سازی DFT خود را تا زمانی که با نتایج PIMC مطابقت داشته باشند تنظیم کنند. با شبیه‌سازی‌های DFT بهبود یافته، باید بتوانیم نتایج دقیقی را در سیستم‌هایی با صدها تا حتی هزاران ذره به دست آوریم.
با تطبیق این رویکرد، دانشمندان می توانند DFT را به طور قابل توجهی افزایش دهند و در نتیجه شبیه سازی رفتار هر نوع ماده یا ماده را بهبود بخشند. در تحقیقات بنیادی، این امکان را به شبیه‌سازی‌های پیش‌بینی می‌دهد که فیزیکدانان تجربی باید با یافته‌های تجربی خود از زیرساخت‌های مقیاس بزرگ مانند تأسیسات لیزری الکترون آزاد پرتو ایکس اروپا (European XFEL) در نزدیکی هامبورگ (آلمان)، منبع نور منسجم Linac مقایسه کنند. (LCLS) در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده در منلو پارک یا مرکز احتراق ملی (NIF) در آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور در لیورمور (هر دو ایالات متحده).
مرجع مجله:
- ماکسیمیلیان بومه، ژاندوس آ. مولدابکوف و همکاران. پاسخ چگالی الکترونیکی استاتیک هیدروژن متراکم گرم: شبیه سازی مونت کارلو انتگرال مسیر Ab Initio. فیزیک کشیش لِت 129، 066402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066402
