Cea mai comună formă de hidrogen din univers nu este gazul colorat și inodor și nici moleculele care conțin hidrogen, cum ar fi apa, care sunt binecunoscute pe pământ. Este hidrogenul cald și dens care formează stele și planete. În unele situații, acest hidrogen poate chiar conduce electricitatea precum metalele.
Oamenii de știință de la Centrul pentru Înțelegerea Sistemelor Avansate (CASUS) de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) au făcut un pas semnificativ înainte pentru a descrie hidrogenul dens cald la fel de precis ca niciodată. Au folosit o metodă de simulare bazată pe numere aleatorii.
Pentru prima dată, abordarea lor poate rezolva fundamentalul dinamica cuantică a electronilor atunci când mulți atomi de hidrogen interacționează în condițiile întâlnite de obicei în interioarele planetei sau reactoarele de fuziune.
Oamenii de știință au demonstrat că proprietățile hidrogenului dens cald ar putea fi descrise cu exactitate prin așa-numitele simulări Quantum Monte Carlo (QMC).
Böhme, care urmează un doctorat cu munca sa la CASUS, a spus: „Metoda noastră nu se bazează pe aproximările de care au suferit abordările anterioare. În schimb, calculează direct dinamica cuantică fundamentală și, prin urmare, este foarte precis. Cu toate acestea, abordarea noastră limitează scalarea, deoarece este intensă din punct de vedere computațional. Chiar dacă ne bazăm pe cele mai mari supercalculatoare, putem gestiona doar numerele de particule din intervalul de două cifre.”
În primul rând, oamenii de știință se bazează pe simulări pentru a elucida caracteristicile hidrogenului și a altor materii în condiții extreme. Unul popular este cunoscut ca teoria funcțională a densității (DFT). În ciuda succesului său, hidrogenul dens încălzit nu a fost descris în mod adecvat. Justificarea fundamentală este că modelele precise necesită o înțelegere detaliată a modului în care electronii interacționează în hidrogenul cald și dens.
Semnificația noii metode ar putea fi extinsă. Combinând ingenios PIMC și DFT, este posibil să obțineți precizia metodei PIMC și viteza și adaptabilitatea metodei DFT, care necesită mult mai puțin efort de calcul.
Tânăr Investigator lider de grup Dr. Tobias Dornheim a spus, „Până acum, oamenii de știință se uitau în ceață pentru a găsi aproximări fiabile pentru corelațiile electronilor în simulările lor DFT. Folosind rezultatele PIMC pentru foarte puține particule ca referință, aceștia pot acum regla setările simulărilor lor DFT până se potrivesc cu rezultatele PIMC. Cu simulările DFT îmbunătățite, ar trebui să putem obține rezultate exacte în sisteme de sute până la mii de particule.”
Prin adaptarea acestei abordări, oamenii de știință ar putea îmbunătăți semnificativ DFT, rezultând simulări îmbunătățite ale comportamentului oricărui tip de materie sau material. În cercetarea fundamentală, va permite simulări predictive pe care fizicienii experimentali trebuie să le compare cu descoperirile lor empirice din infrastructuri la scară largă, cum ar fi Facilitatea europeană de laser cu raze X cu electroni liberi (European XFEL) de lângă Hamburg (Germania), sursa de lumină coerentă Linac. (LCLS) la National Accelerator Laboratory din Menlo Park sau National Ignition Facility (NIF) de la Lawrence Livermore National Laboratory din Livermore (ambele SUA).
Referința jurnalului:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Răspunsul la densitatea electronică statică a hidrogenului dens cald: simulări Monte Carlo integrale a căii Ab Initio. Fizic. Pr. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066402
