Najpowszechniejszą formą wodoru we wszechświecie nie jest bezbarwny i bezwonny gaz ani cząsteczki zawierające wodór, takie jak woda, które są dobrze znane na Ziemi. Tworzy go ciepły, gęsty wodór gwiazdy i planet. W niektórych sytuacjach wodór może nawet przewodzić prąd, podobnie jak metale.
Naukowcy z Centrum Rozumienia Zaawansowanych Systemów (CASUS) w Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) zrobili znaczący krok naprzód, aby opisać ciepły, gęsty wodór tak dokładnie jak nigdy dotąd. Zastosowali metodę symulacyjną opartą na liczbach losowych.
Po raz pierwszy ich podejście może rozwiązać problem zasadniczy dynamika kwantowa elektronów gdy wiele atomów wodoru oddziałuje w warunkach zwykle występujących we wnętrzach planet lub reaktorach termojądrowych.
Naukowcy wykazali, że właściwości ciepłego, gęstego wodoru można dokładnie opisać za pomocą tak zwanych symulacji Quantum Monte Carlo (QMC).
Böhme, robiący doktorat dzięki pracy w CASUS, powiedział: „Nasza metoda nie opiera się na przybliżeniach, na które cierpiały poprzednie podejścia. Zamiast tego bezpośrednio oblicza podstawową dynamikę kwantową i dlatego jest bardzo precyzyjny. Jednak nasze podejście ogranicza skalowanie, ponieważ jest intensywne obliczeniowo. Mimo że polegamy na największych superkomputerach, możemy obsługiwać liczby cząstek jedynie w zakresie dwucyfrowym”.
Przede wszystkim naukowcy polegają na symulacjach, aby wyjaśnić właściwości wodoru i innej materii w ekstremalnych warunkach. Jednym z popularnych jest tzw teoria funkcjonału gęstości (DFT). Pomimo sukcesu, podgrzany gęsty wodór nie został odpowiednio opisany. Podstawowym uzasadnieniem jest to, że dokładne modele wymagają szczegółowego zrozumienia interakcji elektronów w ciepłym, gęstym wodorze.
Znaczenie nowej metody może być ogromne. Dzięki pomysłowemu połączeniu PIMC i DFT możliwe będzie uzyskanie precyzji metody PIMC oraz szybkości i możliwości adaptacji metody DFT, która wymaga znacznie mniejszego wysiłku obliczeniowego.
Lider Grupy Młodych Badaczy dr Tobias Dornheim powiedziany, „Jak dotąd naukowcy grzebali we mgle, aby znaleźć wiarygodne przybliżenia korelacji elektronów w swoich symulacjach DFT. Wykorzystując wyniki PIMC dla bardzo niewielu cząstek jako odniesienie, mogą teraz dostroić ustawienia swoich symulacji DFT, aż będą zgodne z wynikami PIMC. Dzięki ulepszonym symulacjom DFT powinniśmy być w stanie uzyskać dokładne wyniki w układach składających się z setek, a nawet tysięcy cząstek”.
Dostosowując to podejście, naukowcy mogliby znacznie ulepszyć DFT, co doprowadziło do ulepszonych symulacji zachowania dowolnego rodzaju materii lub materiału. W badaniach podstawowych umożliwi symulacje prognostyczne, które fizycy doświadczalni będą musieli porównać z wynikami empirycznymi uzyskanymi z wielkoskalowych infrastruktur, takich jak europejski laser rentgenowski na swobodnych elektronach (European XFEL) w pobliżu Hamburga (Niemcy), źródło światła koherentnego Linac (LCLS) w National Accelerator Laboratory w Menlo Park lub National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory w Livermore (oba USA).
Referencje czasopisma:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov i in. Statyczna odpowiedź gęstości elektronowej ciepłego, gęstego wodoru: całkowe symulacje Monte Carlo ścieżki Ab Initio. Phys. Wielebny Lett. 129. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
