Najpogostejša oblika vodika v vesolju ni plin brez barve in vonja niti molekule, ki vsebujejo vodik, kot je voda, ki so dobro poznane na zemlji. Sestavlja ga topel, gost vodik zvezde in planeti. V nekaterih situacijah lahko ta vodik celo prevaja elektriko kot kovine.
Znanstveniki v Centru za napredno razumevanje sistemov (CASUS) v Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) so naredili pomemben korak naprej pri opisovanju toplega gostega vodika tako natančno kot kdaj koli prej. Uporabili so simulacijsko metodo, ki temelji na naključnih številkah.
Prvič lahko njihov pristop reši temeljno kvantna dinamika elektronov ko veliko vodikovih atomov medsebojno deluje pod pogoji, ki jih običajno najdemo v notranjosti planeta ali fuzijskih reaktorjih.
Znanstveniki so dokazali, da je mogoče lastnosti toplega gostega vodika natančno opisati s tako imenovanimi simulacijami Quantum Monte Carlo (QMC).
Böhme, ki je doktoriral s svojim delom na CASUS-u, je dejal, »Naša metoda se ne zanaša na približke prejšnjih pristopov. Namesto tega neposredno izračuna temeljno kvantno dinamiko in je zato zelo natančen. Vendar naš pristop omejuje skaliranje, saj je računsko zahteven. Čeprav se zanašamo na največje superračunalnike, lahko obravnavamo le števila delcev v dvomestnem območju.«
Znanstveniki se predvsem zanašajo na simulacije, da pojasnijo značilnosti vodika in drugih snovi v ekstremnih pogojih. Ena priljubljena je znana kot teorija funkcionalne gostote (DFT). Kljub uspehu segreti gosti vodik ni bil ustrezno opisan. Temeljna utemeljitev je, da natančni modeli zahtevajo podrobno razumevanje medsebojnega delovanja elektronov v toplem, gostem vodiku.
Pomen nove metode bi lahko bil obsežen. Z domiselno kombinacijo PIMC in DFT bo morda mogoče pridobiti natančnost metode PIMC ter hitrost in prilagodljivost metode DFT, ki zahteva veliko manj računalniškega napora.
Vodja skupine mladih raziskovalcev dr. Tobias Dornheim je dejal, »Doslej so znanstveniki brskali po megli, da bi našli zanesljive približke za elektronske korelacije v svojih simulacijah DFT. Z uporabo rezultatov PIMC za zelo malo delcev kot referenco lahko zdaj prilagajajo nastavitve svojih simulacij DFT, dokler se ne ujemajo z rezultati PIMC. Z izboljšanimi simulacijami DFT bi morali biti sposobni dati natančne rezultate v sistemih s stotimi do celo tisoči delcev.«
S prilagoditvijo tega pristopa bi znanstveniki lahko znatno izboljšali DFT, kar bi imelo za posledico izboljšane simulacije obnašanja katere koli vrste snovi ali materiala. V temeljnih raziskavah bo omogočil napovedne simulacije, ki jih morajo eksperimentalni fiziki primerjati s svojimi empiričnimi ugotovitvami iz obsežnih infrastruktur, kot je European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) blizu Hamburga (Nemčija), Linac Coherent Light Source (LCLS) v National Accelerator Laboratory v Menlo Parku ali National Ignition Facility (NIF) v Lawrence Livermore National Laboratory v Livermoru (oba ZDA).
Referenca dnevnika:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Statični elektronski odziv gostote toplega gostega vodika: Ab Initio Path Integral Monte Carlo simulacije. Fiz. Rev. Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
