Den vanligaste formen av väte i universum är inte den färg- och luktfria gasen eller de vätehaltiga molekylerna som vatten som är välkända på jorden. Det är det varma, täta vätet som utgör stjärnor och planeter. I vissa situationer kan detta väte till och med leda elektricitet som metaller.
Forskare vid Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har tagit ett betydande steg framåt för att beskriva varmt tätt väte så exakt som någonsin. De använde en simuleringsmetod baserad på slumptal.
För första gången kan deras tillvägagångssätt lösa det grundläggande elektronernas kvantdynamik när många väteatomer interagerar under förhållanden som vanligtvis finns i planetinteriörer eller fusionsreaktorer.
Forskare visade att egenskaperna hos varmt tätt väte kunde beskrivas exakt med så kallade Quantum Monte Carlo (QMC)-simuleringar.
Böhme, som doktorerar med sitt arbete på CASUS, sa: ”Vår metod förlitar sig inte på de approximationer som tidigare tillvägagångssätt lidit av. Den beräknar istället direkt den grundläggande kvantdynamiken och är därför mycket exakt. Men vårt tillvägagångssätt begränsar skalningen, eftersom det är beräkningsintensivt. Även om vi förlitar oss på de största superdatorerna kan vi bara hantera partikelantal i tvåsiffrigt intervall."
I första hand förlitar sig forskare på simuleringar för att belysa egenskaperna hos väte och annan materia under extrema förhållanden. En populär är känd som densitetsfunktionsteori (DFT). Trots dess framgång har uppvärmt tätt väte inte beskrivits tillräckligt. Den grundläggande motiveringen är att korrekta modeller kräver en detaljerad förståelse av hur elektroner interagerar i varmt, tätt väte.
Betydelsen av den nya metoden kan vara omfattande. Genom att på ett genialiskt sätt kombinera PIMC och DFT kan det vara möjligt att få precisionen hos PIMC-metoden och hastigheten och anpassningsförmågan hos DFT-metoden, som kräver mycket mindre beräkningsansträngning.
Ung utredare gruppledare Dr. Tobias Dornheim sade, "Hittills har forskare letat runt i dimman för att hitta tillförlitliga approximationer för elektronkorrelationer i sina DFT-simuleringar. Genom att använda PIMC-resultaten för väldigt få partiklar som referens kan de nu justera inställningarna för sina DFT-simuleringar tills de matchar PIMC-resultaten. Med de förbättrade DFT-simuleringarna borde vi kunna ge exakta resultat i system med hundratals till till och med tusentals partiklar."
Genom att anpassa detta tillvägagångssätt kan forskare förbättra DFT avsevärt, vilket resulterar i förbättrade simuleringar av beteendet hos någon typ av materia eller material. I grundforskning kommer det att möjliggöra prediktiva simuleringar som experimentella fysiker behöver jämföra med sina empiriska fynd från storskaliga infrastrukturer som European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) nära Hamburg (Tyskland), Linac Coherent Light Source (LCLS) vid National Accelerator Laboratory i Menlo Park eller National Ignition Facility (NIF) vid Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore (båda USA).
Tidskriftsreferens:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Statisk elektronisk densitetsrespons av varmt tätt väte: Ab Initio Path Integral Monte Carlo-simuleringar. Phys. Pastor Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
