A forma mais comum de hidrogénio no Universo não é o gás colorido e inodoro, nem as moléculas que contêm hidrogénio, como a água, que são bem conhecidas na Terra. É o hidrogênio quente e denso que compõe estrelas e planetas. Em algumas situações, esse hidrogênio pode até conduzir eletricidade como os metais.
Cientistas do Centro de Compreensão de Sistemas Avançados (CASUS) em Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) deram um passo significativo para descrever o hidrogênio denso e quente com a maior precisão de sempre. Eles usaram um método de simulação baseado em números aleatórios.
Pela primeira vez, a sua abordagem pode resolver os problemas fundamentais dinâmica quântica dos elétrons quando muitos átomos de hidrogênio interagem sob condições normalmente encontradas no interior de planetas ou em reatores de fusão.
Os cientistas demonstraram que as propriedades do hidrogênio quente e denso poderiam ser descritas precisamente com as chamadas simulações Quantum Monte Carlo (QMC).
Böhme, fazendo doutorado com seu trabalho no CASUS, disse: “Nosso método não depende das aproximações que as abordagens anteriores sofreram. Em vez disso, calcula diretamente a dinâmica quântica fundamental e, portanto, é muito preciso. No entanto, nossa abordagem limita o dimensionamento, pois é computacionalmente intensa. Mesmo contando com os maiores supercomputadores, só podemos lidar com números de partículas na faixa de dois dígitos.”
Principalmente, os cientistas confiam em simulações para elucidar as características do hidrogênio e de outras matérias sob condições extremas. Um popular é conhecido como teoria da densidade funcional (DFT). Apesar do seu sucesso, o hidrogénio denso aquecido não foi descrito adequadamente. A justificativa fundamental é que modelos precisos necessitam de uma compreensão detalhada de como os elétrons interagem no hidrogênio quente e denso.
A importância do novo método pode ser extensa. Combinando engenhosamente PIMC e DFT, pode ser possível obter a precisão do método PIMC e a velocidade e adaptabilidade do método DFT, que requer muito menos esforço computacional.
Líder do Grupo de Jovens Investigadores, Dr. Tobias Dornheim dito, “Até agora, os cientistas estavam fuçando no nevoeiro para encontrar aproximações confiáveis para correlações eletrônicas em suas simulações DFT. Usando os resultados do PIMC para poucas partículas como referência, eles agora podem ajustar as configurações de suas simulações DFT até que correspondam aos resultados do PIMC. Com as simulações DFT aprimoradas, deveremos ser capazes de produzir resultados exatos em sistemas de centenas ou até milhares de partículas.”
Ao adaptar esta abordagem, os cientistas poderiam melhorar significativamente a DFT, resultando em simulações melhoradas do comportamento de qualquer tipo de matéria ou material. Na investigação fundamental, permitirá simulações preditivas que os físicos experimentais precisam de comparar com as suas descobertas empíricas de infra-estruturas de grande escala, como a Instalação Europeia de Laser de Eléctrons Livres de Raios-X (European XFEL) perto de Hamburgo (Alemanha), a Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS) no Laboratório Nacional de Aceleradores em Menlo Park ou no National Ignition Facility (NIF) no Laboratório Nacional Lawrence Livermore em Livermore (ambos nos EUA).
Jornal de referência:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Resposta estática da densidade eletrônica do hidrogênio denso quente: Simulações integrais de Monte Carlo do caminho Ab Initio. Física Rev. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066402
