Yleisin vedyn muoto universumissa ei ole väritön ja hajuton kaasu eikä vetyä sisältävät molekyylit, kuten vesi, jotka ovat hyvin tunnettuja maan päällä. Se on lämmin, tiheä vety, joka muodostaa tähdet ja planeetat. Joissakin tilanteissa tämä vety voi jopa johtaa sähköä kuten metallit.
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) Center for Advanced Systems Understandingin (CASUS) tutkijat ovat ottaneet merkittävän askeleen eteenpäin kuvatakseen lämmintä tiheää vetyä yhtä tarkasti kuin koskaan. He käyttivät satunnaislukuihin perustuvaa simulointimenetelmää.
Ensimmäistä kertaa heidän lähestymistapansa voi ratkaista perusasiat elektronien kvanttidynamiikkaa kun monet vetyatomit ovat vuorovaikutuksessa olosuhteissa, joita tavallisesti esiintyy planeetan sisätiloissa tai fuusioreaktoreissa.
Tutkijat osoittivat, että lämpimän tiheän vedyn ominaisuudet voidaan kuvata tarkasti niin kutsutuilla Quantum Monte Carlo (QMC) -simulaatioilla.
Böhme, joka väitteli tohtoriksi työstään CASUS:ssa, sanoi: ”Menetelmämme ei nojaudu niihin likiarvoihin, joista aikaisemmat lähestymistavat kärsivät. Sen sijaan se laskee suoraan perustavanlaatuisen kvanttidynamiikan ja on siksi erittäin tarkka. Lähestymistapamme kuitenkin rajoittaa skaalausta, koska se on laskennallisesti intensiivistä. Vaikka luotamme suurimpiin supertietokoneisiin, pystymme käsittelemään vain kaksinumeroisia hiukkaslukuja."
Ensisijaisesti tutkijat luottavat simulaatioihin vedyn ja muiden aineiden ominaisuuksien selvittämiseksi äärimmäisissä olosuhteissa. Yksi suosittu tunnetaan nimellä tiheysfunktionaaliteoria (DFT). Menestyksestään huolimatta kuumennettua tiheää vetyä ei ole kuvattu riittävästi. Perimmäinen perustelu on, että tarkat mallit edellyttävät yksityiskohtaista ymmärrystä siitä, kuinka elektronit ovat vuorovaikutuksessa lämpimässä, tiheässä vedyssä.
Uuden menetelmän merkitys voi olla laaja. Yhdistämällä nerokkaasti PIMC:tä ja DFT:tä voidaan saavuttaa PIMC-menetelmän tarkkuus ja DFT-menetelmän nopeus ja mukautuvuus, mikä vaatii paljon vähemmän laskentaa.
Nuorten tutkijoiden ryhmän johtaja tohtori Tobias Dornheim sanoi, "Toistaiseksi tutkijat ovat etsineet DFT-simulaatioissaan luotettavia likiarvoja elektronikorrelaatioille. Käyttämällä PIMC-tuloksia vain harvoille hiukkasille viitteenä, he voivat nyt säätää DFT-simulaatioidensa asetuksia, kunnes ne vastaavat PIMC-tuloksia. Parannettujen DFT-simulaatioiden avulla voimme tuottaa tarkkoja tuloksia satojen tai jopa tuhansien hiukkasten järjestelmissä.
Soveltamalla tätä lähestymistapaa tutkijat voivat parantaa merkittävästi DFT:tä, mikä johtaisi parantuneisiin simulaatioihin minkä tahansa aineen tai materiaalin käyttäytymisestä. Perustutkimuksessa se mahdollistaa ennustavat simulaatiot, joita kokeellisten fyysikkojen on verrattava empiirisiin löydöksiinsä laajamittaisista infrastruktuureista, kuten Hampurin (Saksa) lähellä sijaitsevasta European X-Ray Free-Electron Laser Facilitysta (European XFEL), Linac Coherent Light Sourcesta. (LCLS) National Accelerator Laboratoryssa Menlo Parkissa tai National Ignition Facilityssä (NIF) Lawrence Livermore National Laboratoryssa Livermoressa (molemmat USA).
Lehden viite:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et ai. Lämpimän tiheän vedyn staattinen elektroninen tiheysvaste: Ab Initio -polun integraaliset Monte Carlo -simulaatiot. Phys. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
