De meest voorkomende vorm van waterstof in het universum is niet het kleur- en geurloze gas, noch de waterstofhoudende moleculen zoals water die op aarde bekend zijn. Het is de warme, dichte waterstof waaruit dit bestaat sterren en planeten. In sommige situaties kan deze waterstof zelfs elektriciteit geleiden zoals metalen.
Wetenschappers van het Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) van Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben een belangrijke stap voorwaarts gezet om warme, dichte waterstof zo nauwkeurig als altijd te beschrijven. Ze gebruikten een simulatiemethode op basis van willekeurige getallen.
Voor het eerst kan hun aanpak het fundamentele probleem oplossen kwantumdynamica van de elektronen wanneer veel waterstofatomen op elkaar inwerken onder omstandigheden die gewoonlijk voorkomen in het interieur van planeten of in fusiereactoren.
Wetenschappers hebben aangetoond dat de eigenschappen van warme, dichte waterstof nauwkeurig kunnen worden beschreven met zogenaamde Quantum Monte Carlo (QMC)-simulaties.
Böhme, die promoveerde op zijn werk bij CASUS, zei: “Onze methode is niet gebaseerd op de benaderingen waar eerdere benaderingen last van hadden. In plaats daarvan berekent het rechtstreeks de fundamentele kwantumdynamiek en is daarom zeer nauwkeurig. Onze aanpak beperkt echter de schaalvergroting, omdat deze rekenintensief is. Hoewel we afhankelijk zijn van de grootste supercomputers, kunnen we alleen deeltjesaantallen in de dubbele cijfers verwerken.”
Wetenschappers vertrouwen in de eerste plaats op simulaties om de kenmerken van waterstof en andere materie onder extreme omstandigheden te verduidelijken. Een populaire staat bekend als Dichtheid functionele theorie (DFT). Ondanks het succes ervan is verwarmde, dichte waterstof nog niet adequaat beschreven. De fundamentele rechtvaardiging is dat nauwkeurige modellen een gedetailleerd begrip vereisen van hoe elektronen op elkaar inwerken in warme, dichte waterstof.
De betekenis van de nieuwe methode kan groot zijn. Door PIMC en DFT op een ingenieuze manier te combineren, kan het mogelijk zijn om de precisie van de PIMC-methode en de snelheid en het aanpassingsvermogen van de DFT-methode te verkrijgen, wat veel minder rekeninspanning vereist.
Groepsleider van jonge onderzoekers Dr. Tobias Dornheim zei, “Tot nu toe snuffelden wetenschappers in de mist om betrouwbare benaderingen te vinden voor elektronencorrelaties in hun DFT-simulaties. Door de PIMC-resultaten voor heel weinig deeltjes als referentie te gebruiken, kunnen ze nu de instellingen van hun DFT-simulaties afstemmen totdat ze overeenkomen met de PIMC-resultaten. Met de verbeterde DFT-simulaties zouden we exacte resultaten moeten kunnen opleveren in systemen van honderden tot zelfs duizenden deeltjes.”
Door deze aanpak aan te passen, kunnen wetenschappers de DFT aanzienlijk verbeteren, wat resulteert in verbeterde simulaties van het gedrag van elke vorm van materie of materiaal. In fundamenteel onderzoek zal het voorspellende simulaties mogelijk maken die experimentele natuurkundigen moeten vergelijken met hun empirische bevindingen van grootschalige infrastructuren zoals de European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) nabij Hamburg (Duitsland), de Linac Coherent Light Source (LCLS) bij het National Accelerator Laboratory in Menlo Park of de National Ignition Facility (NIF) bij Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore (beide VS).
Journal Reference:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Statische elektronische dichtheidsrespons van warme, dichte waterstof: Ab Initio Path Integrale Monte Carlo-simulaties. Phys. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
