Bentuk hidrogen yang paling umum di alam semesta bukanlah gas yang tidak berwarna dan tidak berbau, atau molekul yang mengandung hidrogen seperti air yang dikenal di bumi. Hidrogen padat dan hangatlah yang menyusunnya bintang dan planet. Dalam beberapa situasi, hidrogen ini bahkan dapat menghantarkan listrik seperti logam.
Para ilmuwan di Pusat Pemahaman Sistem Tingkat Lanjut (CASUS) di Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) telah mengambil langkah maju yang signifikan untuk mendeskripsikan hidrogen padat hangat seakurat sebelumnya. Mereka menggunakan metode simulasi berdasarkan angka acak.
Untuk pertama kalinya, pendekatan mereka dapat menyelesaikan masalah mendasar dinamika kuantum elektron ketika banyak atom hidrogen berinteraksi dalam kondisi yang biasanya ditemukan di interior planet atau reaktor fusi.
Para ilmuwan menunjukkan bahwa sifat-sifat hidrogen padat hangat dapat dijelaskan secara tepat dengan apa yang disebut simulasi Quantum Monte Carlo (QMC).
Böhme, yang sedang mengejar gelar doktor dengan pekerjaannya di CASUS, berkata, “Metode kami tidak bergantung pada perkiraan yang dialami oleh pendekatan sebelumnya. Sebaliknya, ia secara langsung menghitung dinamika kuantum fundamental dan oleh karena itu sangat tepat. Namun, pendekatan kami membatasi penskalaan karena komputasinya intensif. Meskipun mengandalkan superkomputer terbesar, kami hanya dapat menangani jumlah partikel dalam kisaran dua digit.”
Terutama, para ilmuwan mengandalkan simulasi untuk menjelaskan karakteristik hidrogen dan materi lainnya dalam kondisi ekstrim. Salah satu yang populer dikenal sebagai teori fungsi kepadatan (DFT). Meskipun sukses, hidrogen padat yang dipanaskan belum dijelaskan secara memadai. Pembenaran mendasarnya adalah bahwa model yang akurat memerlukan pemahaman rinci tentang bagaimana elektron berinteraksi dalam hidrogen yang hangat dan padat.
Arti penting dari metode baru ini bisa sangat luas. Dengan menggabungkan PIMC dan DFT secara cerdik, presisi metode PIMC serta kecepatan dan kemampuan beradaptasi metode DFT dapat diperoleh, yang memerlukan upaya komputasi yang jauh lebih sedikit.
Pemimpin Kelompok Penyelidik Muda Dr. Tobias Dornheim tersebut, “Sejauh ini, para ilmuwan masih mencari-cari perkiraan korelasi elektron dalam simulasi DFT mereka. Dengan menggunakan hasil PIMC untuk partikel yang sangat sedikit sebagai referensi, mereka kini dapat menyesuaikan pengaturan simulasi DFT hingga cocok dengan hasil PIMC. Dengan simulasi DFT yang ditingkatkan, kita seharusnya dapat memberikan hasil yang tepat dalam sistem yang terdiri dari ratusan hingga ribuan partikel.”
Dengan mengadaptasi pendekatan ini, para ilmuwan dapat meningkatkan DFT secara signifikan, sehingga menghasilkan simulasi perilaku segala jenis materi atau material yang lebih baik. Dalam penelitian mendasar, hal ini akan memungkinkan simulasi prediktif yang perlu dibandingkan oleh fisikawan eksperimental dengan temuan empiris mereka dari infrastruktur berskala besar seperti Fasilitas Laser Elektron Bebas Sinar-X Eropa (European XFEL) di dekat Hamburg (Jerman), Sumber Cahaya Koheren Linac. (LCLS) di National Accelerator Laboratory di Menlo Park atau National Ignition Facility (NIF) di Lawrence Livermore National Laboratory di Livermore (keduanya AS).
Referensi Jurnal:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov dkk. Respon Kepadatan Elektronik Statis Hidrogen Padat Hangat: Simulasi Monte Carlo Integral Jalur Ab Initio. Phys Pdt. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
