Самая распространенная форма водорода во Вселенной — это не газ без цвета и запаха и не хорошо известные на Земле водородсодержащие молекулы, такие как вода. Это теплый, плотный водород, из которого состоит Число звезд: и планеты. В некоторых ситуациях этот водород может даже проводить электричество, как металлы.
Ученые из Центра изучения передовых систем (CASUS) в Центре Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) сделали значительный шаг вперед, чтобы описать теплый плотный водород так точно, как никогда. Они использовали метод моделирования, основанный на случайных числах.
Впервые их подход может решить фундаментальные проблемы. квантовая динамика электронов когда многие атомы водорода взаимодействуют в условиях, обычно встречающихся в недрах планет или термоядерных реакторах.
Ученые продемонстрировали, что свойства теплого плотного водорода можно точно описать с помощью так называемого квантового моделирования Монте-Карло (QMC).
Бёме, получавший докторскую степень во время работы в CASUS, сказал: «Наш метод не опирается на аппроксимации, от которых страдали предыдущие подходы. Вместо этого он напрямую вычисляет фундаментальную квантовую динамику и поэтому является очень точным. Однако наш подход ограничивает масштабирование, поскольку требует больших вычислительных ресурсов. Несмотря на то, что мы полагаемся на крупнейшие суперкомпьютеры, мы можем обрабатывать только числа частиц в двузначном диапазоне».
В первую очередь ученые полагаются на моделирование, чтобы выяснить характеристики водорода и других веществ в экстремальных условиях. Один популярный из них известен как теория функционала плотности (ДПФ). Несмотря на успех, нагретый плотный водород не был адекватно описан. Фундаментальное обоснование состоит в том, что точные модели требуют детального понимания того, как электроны взаимодействуют в теплом и плотном водороде.
Значение нового метода может быть огромным. Гениально комбинируя PIMC и DFT, можно добиться точности метода PIMC, а также скорости и адаптируемости метода DFT, который требует гораздо меньших вычислительных усилий.
Руководитель группы молодых исследователей доктор Тобиас Дорнхейм — сказал, «До сих пор ученые ковырялись в тумане, чтобы найти надежные аппроксимации электронных корреляций в своих моделях DFT. Используя результаты PIMC для очень небольшого числа частиц в качестве эталона, они теперь могут настраивать параметры своего моделирования DFT до тех пор, пока они не будут соответствовать результатам PIMC. Благодаря улучшенному моделированию DFT мы сможем получать точные результаты в системах, состоящих из сотен и даже тысяч частиц».
Адаптировав этот подход, ученые могли бы значительно улучшить ДПФ, что приведет к улучшению моделирования поведения любого вида материи или материала. В фундаментальных исследованиях это позволит проводить прогнозное моделирование, которое физикам-экспериментаторам необходимо будет сравнивать с их эмпирическими результатами, полученными в крупномасштабных инфраструктурах, таких как европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (Европейский XFEL) недалеко от Гамбурга (Германия), источник когерентного света Linac. (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории в Менло-Парке или в Национальной установке зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Ливерморе (обе США).
Справочник журнала:
- Максимилиан Бёме, Жандос А. Молдабеков и др. Статическая реакция электронной плотности теплого плотного водорода: интегральное моделирование методом Монте-Карло Ab Initio Path. Phys. Преподобный Летт. 129, 066402. ДОИ: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
