宇宙で最も一般的な水素の形態は、地球上でよく知られている無色無臭の気体でも、水のような水素含有分子でもありません。を構成するのは暖かくて密度の高い水素です。 星 & 惑星。状況によっては、この水素は金属のように電気を通すことさえあります。
ヘルムホルツ・ツェントルム・ドレスデン・ロッセンドルフ (HZDR) の先進システム理解センター (CASUS) の科学者たちは、暖かく高密度の水素をかつてないほど正確に記述するために重要な一歩を踏み出しました。彼らは乱数に基づくシミュレーション手法を使用しました。
彼らのアプローチは初めて、根本的な問題を解決することができます。 電子の量子力学 惑星の内部や核融合炉で通常見られる条件下で、多くの水素原子が相互作用するとき。
科学者たちは、いわゆる量子モンテカルロ (QMC) シミュレーションを使用して、暖かく高密度の水素の特性を正確に記述できることを実証しました。
CASUS での仕事で博士号の取得を目指しているベーメ氏は、次のように述べています。 「私たちの方法は、以前のアプローチが苦労していた近似に依存しません。代わりに、基本的な量子力学を直接計算するため、非常に正確です。ただし、計算量が多いため、私たちのアプローチではスケーリングが制限されます。最大規模のスーパーコンピューターに依存しているにもかかわらず、私たちが扱える粒子数は 2 桁の範囲です。」
科学者は主に、極限条件下での水素やその他の物質の特性を解明するためにシミュレーションに依存しています。人気のあるものの 1 つは次のように知られています。 密度汎関数理論 (DFT)。成功にもかかわらず、加熱された高密度水素については十分に説明されていません。基本的な正当性は、正確なモデルには、暖かく高密度の水素中で電子がどのように相互作用するかを詳細に理解する必要があるということです。
新しい方法の重要性は広範囲にわたる可能性があります。 PIMC と DFT を巧みに組み合わせることで、PIMC 法の精度と、はるかに少ない計算量で済む DFT 法の速度と適応性を得ることができる可能性があります。
若手捜査グループリーダー トビアス・ドルンハイム博士 と, 「これまで科学者たちは、DFT シミュレーションにおける電子相関の信頼できる近似値を見つけるために、霧の中を探し回っていました。非常に少数の粒子の PIMC 結果を参照として使用して、PIMC 結果と一致するまで DFT シミュレーションの設定を調整できるようになりました。改善された DFT シミュレーションにより、数百から数千の粒子のシステムでも正確な結果を得ることができるはずです。」
このアプローチを採用することで、科学者は DFT を大幅に強化し、あらゆる種類の物質や材料の挙動のシミュレーションを改善することができます。基礎研究では、実験物理学者がハンブルク（ドイツ）近郊の欧州X線自由電子レーザー施設（欧州XFEL）やリニアックコヒーレント光源などの大規模インフラからの経験的発見と比較する必要がある予測シミュレーションが可能になる。メンローパークの国立加速器研究所（LCLS）またはリバモアのローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設（NIF）（どちらも米国）。
ジャーナルリファレンス：
- マクシミリアン・ベーメ、ザンドス・A・モルダベコフほか。温かい高密度水素の静的電子密度応答: Ab Initio Path 積分モンテカルロ シミュレーション。 Phys。 牧師レット。 129、066402。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
