Den vanligste formen for hydrogen i universet er ikke den farge- og luktfrie gassen eller de hydrogenholdige molekylene som vann som er velkjente på jorden. Det er det varme, tette hydrogenet som utgjør stjerner og planeter. I noen situasjoner kan dette hydrogenet til og med lede elektrisitet som metaller.
Forskere ved Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har tatt et betydelig skritt fremover for å beskrive varmt tett hydrogen så nøyaktig som alltid. De brukte en simuleringsmetode basert på tilfeldige tall.
For første gang kan deres tilnærming løse det grunnleggende elektronenes kvantedynamikk når mange hydrogenatomer samhandler under forhold som vanligvis finnes i planetens indre eller fusjonsreaktorer.
Forskere demonstrerte at egenskapene til varmt tett hydrogen kunne beskrives nøyaktig med såkalte Quantum Monte Carlo (QMC) simuleringer.
Böhme, som tar en doktorgrad med sitt arbeid ved CASUS, sa: "Vår metode er ikke avhengig av tilnærmingene tidligere tilnærminger led under. Den beregner i stedet den grunnleggende kvantedynamikken direkte og er derfor veldig presis. Vår tilnærming begrenser imidlertid skalering, siden den er beregningsmessig intens. Selv om vi er avhengige av de største superdatamaskinene, kan vi bare håndtere partikkeltall i det tosifrede området.»
Forskere er først og fremst avhengige av simuleringer for å belyse egenskapene til hydrogen og annet materiale under ekstreme forhold. En populær er kjent som tetthet funksjonell teori (DFT). Til tross for suksessen, har ikke oppvarmet tett hydrogen blitt tilstrekkelig beskrevet. Den grunnleggende begrunnelsen er at nøyaktige modeller krever en detaljert forståelse av hvordan elektroner samhandler i varmt, tett hydrogen.
Betydningen av den nye metoden kan være omfattende. Ved å genialt kombinere PIMC og DFT, kan det være mulig å oppnå presisjonen til PIMC-metoden og hastigheten og tilpasningsevnen til DFT-metoden, som krever langt mindre beregningsinnsats.
Ung etterforskergruppeleder Dr. Tobias Dornheim sa, "Så langt har forskere rotet rundt i tåken for å finne pålitelige tilnærminger for elektronkorrelasjoner i deres DFT-simuleringer. Ved å bruke PIMC-resultatene for svært få partikler som referanse, kan de nå justere innstillingene for DFT-simuleringene til de samsvarer med PIMC-resultatene. Med de forbedrede DFT-simuleringene burde vi være i stand til å gi eksakte resultater i systemer med hundrevis til og med tusenvis av partikler."
Ved å tilpasse denne tilnærmingen, kan forskere forbedre DFT betydelig, noe som resulterer i forbedrede simuleringer av oppførselen til alle typer materie eller materiale. I grunnleggende forskning vil det tillate prediktive simuleringer som eksperimentelle fysikere trenger for å sammenligne med deres empiriske funn fra storskala infrastrukturer som European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) nær Hamburg (Tyskland), Linac Coherent Light Source (LCLS) ved National Accelerator Laboratory i Menlo Park eller National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore (begge USA).
Tidsreferanse:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Statisk elektronisk tetthetsrespons av varmt tett hydrogen: Ab Initio Path Integral Monte Carlo-simuleringer. Phys. Pastor Lett. 129. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066402
