A hidrogén leggyakoribb formája az univerzumban nem a szín- és szagtalan gáz, sem a földön jól ismert hidrogéntartalmú molekulák, mint a víz. Ez a meleg, sűrű hidrogén alkotja csillagok és a bolygók. Bizonyos helyzetekben ez a hidrogén akár elektromosságot is vezethet, mint például a fémek.
A Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) Advanced Systems Understanding Központ (CASUS) tudósai jelentős lépést tettek előre a meleg sűrű hidrogén olyan pontos leírása érdekében, mint valaha. Véletlenszámokon alapuló szimulációs módszert alkalmaztak.
Megközelítésük most először tudja megoldani az alapvető az elektronok kvantumdinamikája amikor sok hidrogénatom kölcsönhatásba lép a bolygó belsejében vagy a fúziós reaktorokban általában előforduló körülmények között.
A tudósok bebizonyították, hogy a meleg sűrű hidrogén tulajdonságai pontosan leírhatók az úgynevezett Quantum Monte Carlo (QMC) szimulációkkal.
Böhme, aki doktori címet szerzett a CASUS-nál, azt mondta: „Módszerünk nem támaszkodik azokra a közelítésekre, amelyektől a korábbi megközelítések szenvedtek. Ehelyett közvetlenül számítja ki az alapvető kvantumdinamikát, ezért nagyon precíz. Megközelítésünk azonban korlátozza a skálázást, mivel számításigényes. Annak ellenére, hogy a legnagyobb szuperszámítógépekre támaszkodunk, csak a kétszámjegyű részecskeszámot tudjuk kezelni.”
A tudósok elsősorban szimulációkra támaszkodnak a hidrogén és más anyagok jellemzőinek tisztázására extrém körülmények között. Az egyik népszerű ún sűrűség funkcionális elmélet (DFT). Sikerei ellenére a hevített sűrű hidrogént nem írták le megfelelően. Az alapvető indoklás az, hogy a pontos modellekhez szükség van annak részletes megértésére, hogy az elektronok hogyan lépnek kölcsönhatásba meleg, sűrű hidrogénben.
Az új módszer jelentősége kiterjedt lehet. A PIMC és a DFT zseniális kombinálásával elérhetővé válhat a PIMC módszer pontossága és a DFT módszer gyorsasága és alkalmazkodóképessége, amely sokkal kevesebb számítási erőfeszítést igényel.
Dr. Tobias Dornheim fiatal nyomozócsoport vezetője mondott, „Eddig a tudósok a ködben turkáltak, hogy megbízható közelítéseket találjanak az elektronkorrelációkra DFT-szimulációik során. A nagyon kevés részecskére vonatkozó PIMC-eredményeket referenciaként használva most már addig hangolhatják DFT-szimulációik beállításait, amíg azok megegyeznek a PIMC-eredményekkel. A továbbfejlesztett DFT-szimulációkkal több száz vagy akár több ezer részecskékből álló rendszerekben is pontos eredményeket tudhatunk elérni.”
E megközelítés adaptálásával a tudósok jelentősen javíthatják a DFT-t, ami bármilyen anyag vagy anyag viselkedésének jobb szimulációját eredményezheti. Az alapkutatásban lehetővé teszi a prediktív szimulációkat, amelyeket a kísérleti fizikusoknak össze kell hasonlítaniuk a nagyszabású infrastruktúrák, például a Hamburg (Németország) közelében található European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL), a Linac koherens fényforrás empirikus eredményeivel. (LCLS) a Menlo Parkban található National Accelerator Laboratoryban vagy a National Ignition Facility (NIF) a Lawrence Livermore National Laboratory-ban Livermore-ban (mindkettő az Egyesült Államokban).
Journal Reference:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Meleg sűrű hidrogén statikus elektronikus sűrűségreakciója: Ab Initio Path Integral Monte Carlo szimulációk. Phys. Rev. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066402
