הצורה הנפוצה ביותר של מימן ביקום אינה הגז חסר הצבע והריח וגם לא מולקולות המכילות מימן כמו מים המוכרות היטב על פני כדור הארץ. המימן החם והצפוף הוא שמרכיב כוכבים ו כוכבי לכת. במצבים מסוימים, מימן זה יכול אפילו להוליך חשמל כמו מתכות.
מדענים במרכז להבנת מערכות מתקדמות (CASUS) ב-Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) עשו צעד משמעותי קדימה כדי לתאר מימן צפוף חם בדיוק כמו תמיד. הם השתמשו בשיטת סימולציה המבוססת על מספרים אקראיים.
בפעם הראשונה, הגישה שלהם יכולה לפתור את היסוד דינמיקה קוונטית של האלקטרונים כאשר אטומי מימן רבים מקיימים אינטראקציה בתנאים הנמצאים בדרך כלל בפנים כוכב הלכת או בכורי היתוך.
מדענים הוכיחו שניתן לתאר את המאפיינים של מימן צפוף חם במדויק בעזרת סימולציות קוונטיות מונטה קרלו (QMC).
בוהמה, שלומד לדוקטורט עם עבודתו ב-CASUS, אמר, "השיטה שלנו לא מסתמכת על הקירוב שמהן סבלו גישות קודמות. במקום זאת הוא מחשב ישירות את הדינמיקה הקוונטית הבסיסית ולכן הוא מאוד מדויק. עם זאת, הגישה שלנו מגבילה את קנה המידה, מכיוון שהיא אינטנסיבית מבחינה חישובית. למרות שאנו מסתמכים על מחשבי העל הגדולים ביותר, אנו יכולים להתמודד רק עם מספרי חלקיקים בטווח הדו ספרתי".
בעיקר, מדענים מסתמכים על סימולציות כדי להבהיר את המאפיינים של מימן וחומר אחר בתנאים קיצוניים. אחד פופולרי ידוע בשם תיאוריה תפקודית של צפיפות (DFT). למרות הצלחתו, מימן צפוף מחומם לא תואר כראוי. ההצדקה הבסיסית היא שמודלים מדויקים מחייבים הבנה מפורטת של אופן האינטראקציה של אלקטרונים במימן חם וצפוף.
המשמעות של השיטה החדשה עשויה להיות נרחבת. על ידי שילוב גאוני של PIMC ו-DFT, ייתכן שניתן יהיה להשיג את הדיוק של שיטת PIMC ואת המהירות וההתאמה של שיטת ה-DFT, הדורשת הרבה פחות מאמץ חישובי.
ראש קבוצת חוקרים צעירים ד"ר טוביאס דורנהיים אמר, "עד כה, מדענים הסתובבו בערפל כדי למצוא קירובים אמינים עבור מתאמי אלקטרונים בסימולציות ה-DFT שלהם. באמצעות תוצאות PIMC עבור מעט מאוד חלקיקים כהתייחסות, הם יכולים כעת לכוון את ההגדרות של סימולציות ה-DFT שלהם עד שיתאימו לתוצאות PIMC. עם סימולציות DFT משופרות, אנחנו אמורים להיות מסוגלים להניב תוצאות מדויקות במערכות של מאות עד אפילו אלפי חלקיקים."
על ידי התאמת גישה זו, מדענים יכולים לשפר באופן משמעותי DFT, וכתוצאה מכך סימולציות משופרות של התנהגות של כל סוג של חומר או חומר. במחקר יסודי, זה יאפשר סימולציות חזויות שפיזיקאים ניסויים צריכים להשוות לממצאים האמפיריים שלהם מתשתיות בקנה מידה גדול כמו מתקן הלייזר האירופי ל-XRay Free-Electron Laser (European XFEL) ליד המבורג (גרמניה), מקור האור הקוהרנטי Linac (LCLS) במעבדת האקסלרטור הלאומית במנלו פארק או במתקן ההצתה הלאומי (NIF) במעבדה הלאומית לורנס ליברמור בליברמור (שתיהן ארה"ב).
עיון ביומן:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. תגובת צפיפות אלקטרונית סטטית של מימן צפוף חם: הדמיות מונטה קרלו אינטגרליות של נתיב Ab Initio. פיז. הכומר לט. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
