La forma più comune di idrogeno nell'universo non è il gas incolore e inodore né le molecole contenenti idrogeno come l'acqua che sono ben note sulla terra. È l'idrogeno caldo e denso che lo costituisce stelle ed pianeti. In alcune situazioni, questo idrogeno può persino condurre elettricità come i metalli.
Gli scienziati del Centro per la comprensione dei sistemi avanzati (CASUS) presso l’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno compiuto un significativo passo avanti per descrivere l’idrogeno denso e caldo nel modo più accurato che mai. Hanno utilizzato un metodo di simulazione basato su numeri casuali.
Per la prima volta, il loro approccio può risolvere i fondamentali dinamica quantistica degli elettroni quando molti atomi di idrogeno interagiscono nelle condizioni solitamente riscontrate negli interni dei pianeti o nei reattori a fusione.
Gli scienziati hanno dimostrato che le proprietà dell'idrogeno denso e caldo potrebbero essere descritte con precisione con le cosiddette simulazioni Quantum Monte Carlo (QMC).
Böhme, perseguendo un dottorato con il suo lavoro al CASUS, ha detto: “Il nostro metodo non si basa sulle approssimazioni di cui soffrivano gli approcci precedenti. Calcola invece direttamente la dinamica quantistica fondamentale e quindi è molto preciso. Tuttavia, il nostro approccio limita la scalabilità, poiché è computazionalmente intenso. Anche se facciamo affidamento sui supercomputer più grandi, possiamo gestire solo numeri di particelle nell’intervallo a due cifre”.
Principalmente, gli scienziati si affidano a simulazioni per chiarire le caratteristiche dell'idrogeno e di altri materiali in condizioni estreme. Uno popolare è noto come teoria funzionale della densità (DFT). Nonostante il suo successo, l’idrogeno denso riscaldato non è stato adeguatamente descritto. La giustificazione fondamentale è che modelli accurati richiedono una comprensione dettagliata di come gli elettroni interagiscono nell’idrogeno caldo e denso.
L’importanza del nuovo metodo potrebbe essere ampia. Combinando ingegnosamente PIMC e DFT, potrebbe essere possibile ottenere la precisione del metodo PIMC e la velocità e l'adattabilità del metodo DFT, che richiede uno sforzo computazionale molto inferiore.
Leader del gruppo di giovani investigatori, Dr. Tobias Dornheim disse, “Finora gli scienziati hanno frugato nella nebbia per trovare approssimazioni affidabili per le correlazioni degli elettroni nelle loro simulazioni DFT. Utilizzando come riferimento i risultati PIMC per pochissime particelle, ora possono ottimizzare le impostazioni delle loro simulazioni DFT finché non corrispondono ai risultati PIMC. Con le simulazioni DFT migliorate, dovremmo essere in grado di produrre risultati esatti in sistemi composti da centinaia o addirittura migliaia di particelle”.
Adattando questo approccio, gli scienziati potrebbero migliorare significativamente la DFT, ottenendo simulazioni migliorate del comportamento di qualsiasi tipo di materia o materiale. Nella ricerca fondamentale, consentirà simulazioni predittive che i fisici sperimentali dovranno confrontare con i loro risultati empirici provenienti da infrastrutture su larga scala come l'European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) vicino ad Amburgo (Germania), la Linac Coherent Light Source (LCLS) presso il National Accelerator Laboratory di Menlo Park o il National Ignition Facility (NIF) presso il Lawrence Livermore National Laboratory di Livermore (entrambi negli Stati Uniti).
Riferimento della Gazzetta:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Risposta della densità elettronica statica dell'idrogeno denso caldo: simulazioni Monte Carlo integrali del percorso ab initio. Fis. Rev. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
