La forme d’hydrogène la plus courante dans l’univers n’est pas le gaz incolore et inodore, ni les molécules contenant de l’hydrogène comme l’eau, bien connues sur terre. C'est l'hydrogène chaud et dense qui constitue stars ainsi que planètes. Dans certaines situations, cet hydrogène peut même conduire l’électricité comme les métaux.
Les scientifiques du Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont fait un pas en avant significatif pour décrire l'hydrogène dense et chaud avec plus de précision que jamais. Ils ont utilisé une méthode de simulation basée sur des nombres aléatoires.
Pour la première fois, leur approche peut résoudre le problème fondamental dynamique quantique des électrons lorsque de nombreux atomes d'hydrogène interagissent dans des conditions habituellement rencontrées à l'intérieur des planètes ou dans les réacteurs à fusion.
Les scientifiques ont démontré que les propriétés de l’hydrogène dense et chaud pouvaient être décrites avec précision à l’aide de simulations dites Quantum Monte Carlo (QMC).
Böhme, poursuivant un doctorat avec ses travaux à CASUS, a déclaré : « Notre méthode ne s’appuie pas sur les approximations dont souffraient les approches précédentes. Au lieu de cela, il calcule directement la dynamique quantique fondamentale et est donc très précis. Cependant, notre approche limite la mise à l’échelle, car elle nécessite beaucoup de calculs. Même si nous nous appuyons sur les plus grands supercalculateurs, nous ne pouvons gérer que des nombres de particules compris dans une fourchette à deux chiffres.
Les scientifiques s’appuient principalement sur des simulations pour élucider les caractéristiques de l’hydrogène et d’autres matières dans des conditions extrêmes. Un populaire est connu sous le nom de la théorie fonctionnelle de la densité (TFD). Malgré son succès, l’hydrogène dense chauffé n’a pas été décrit de manière adéquate. La justification fondamentale est que des modèles précis nécessitent une compréhension détaillée de la façon dont les électrons interagissent dans l’hydrogène chaud et dense.
L'importance de la nouvelle méthode pourrait être considérable. En combinant ingénieusement PIMC et DFT, il pourrait être possible d’obtenir la précision de la méthode PIMC ainsi que la rapidité et l’adaptabilité de la méthode DFT, qui nécessite beaucoup moins d’efforts de calcul.
Chef du groupe des jeunes chercheurs, Dr Tobias Dornheim a affirmé Valérie Plante., «Jusqu'à présent, les scientifiques fouillaient dans le brouillard pour trouver des approximations fiables des corrélations électroniques dans leurs simulations DFT. En utilisant les résultats PIMC pour très peu de particules comme référence, ils peuvent désormais ajuster les paramètres de leurs simulations DFT jusqu'à ce qu'ils correspondent aux résultats PIMC. Grâce aux simulations DFT améliorées, nous devrions être en mesure d’obtenir des résultats précis dans des systèmes comprenant des centaines, voire des milliers de particules.
En adaptant cette approche, les scientifiques pourraient améliorer considérablement la DFT, ce qui entraînerait de meilleures simulations du comportement de tout type de matière ou de matériau. Dans le domaine de la recherche fondamentale, il permettra des simulations prédictives que les physiciens expérimentaux doivent comparer à leurs découvertes empiriques provenant d'infrastructures à grande échelle telles que l'installation européenne de laser à électrons libres à rayons X (European XFEL) près de Hambourg (Allemagne), la source de lumière cohérente Linac. (LCLS) au National Accelerator Laboratory de Menlo Park ou au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory à Livermore (tous deux aux États-Unis).
Journal de référence:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Réponse de densité électronique statique de l'hydrogène dense et chaud : simulations de Monte Carlo intégrales Ab Initio Path. Phys. Rév. Lett. 129, 066402. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
