Найпоширенішою формою водню у Всесвіті є не газ без кольору та запаху і не добре відомі на Землі молекули, що містять водень, як вода. Це теплий, щільний водень, який становить Число зірок: та планети. У деяких ситуаціях цей водень може навіть проводити електрику, як метали.
Вчені з Центру розуміння передових систем (CASUS) у Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) зробили значний крок вперед, щоб як ніколи точно описати теплий щільний водень. Вони використовували метод моделювання на основі випадкових чисел.
Вперше їхній підхід може вирішити фундаментальне квантова динаміка електронів коли багато атомів водню взаємодіють в умовах, які зазвичай зустрічаються в надрах планет або термоядерних реакторах.
Вчені продемонстрували, що властивості теплого щільного водню можна точно описати за допомогою так званого моделювання Квантового Монте-Карло (QMC).
Беме, який здобуває докторський ступінь завдяки своїй роботі в CASUS, сказав: «Наш метод не спирається на наближення, від яких постраждали попередні підходи. Натомість він безпосередньо обчислює фундаментальну квантову динаміку і тому є дуже точним. Однак наш підхід обмежує масштабування, оскільки воно потребує обчислень. Незважаючи на те, що ми покладаємося на найбільші суперкомп’ютери, ми можемо працювати лише з двозначним числом частинок».
Насамперед вчені покладаються на моделювання, щоб з’ясувати характеристики водню та іншої матерії в екстремальних умовах. Один популярний відомий як теорія функціоналу щільності (ДПФ). Незважаючи на успіх, нагрітий щільний водень не був належним чином описаний. Основне обґрунтування полягає в тому, що точні моделі вимагають детального розуміння того, як електрони взаємодіють у теплому щільному водні.
Значення нового методу може бути великим. Геніально поєднавши PIMC і DFT, можна отримати точність методу PIMC, а також швидкість і адаптивність методу DFT, який потребує набагато менше обчислювальних зусиль.
Керівник групи молодих дослідників доктор Тобіас Дорнгайм сказав, «Поки що вчені шукали в тумані надійні наближення для кореляції електронів у своїх симуляціях DFT. Використовуючи результати PIMC для дуже небагатьох частинок як еталон, вони тепер можуть налаштовувати параметри своїх симуляцій DFT, поки вони не збігаються з результатами PIMC. Завдяки вдосконаленому моделюванню DFT ми зможемо отримувати точні результати в системах із сотень і навіть тисяч частинок».
Адаптувавши цей підхід, вчені можуть значно покращити DFT, що призведе до покращеного моделювання поведінки будь-якої матерії чи матеріалу. У фундаментальних дослідженнях це дозволить проводити прогнозне моделювання, яке фізики-експериментатори повинні порівнювати зі своїми емпіричними висновками з великомасштабних інфраструктур, таких як Європейський рентгенівський лазер на вільних електронах (European XFEL) поблизу Гамбурга (Німеччина), когерентне джерело світла Linac (LCLS) у Національній прискорювальній лабораторії в Менло-Парку або Національному заводі запалювання (NIF) у Національній лабораторії Лоуренса Лівермора в Ліверморі (обидва США).
Довідка з журналу:
- Максиміліан Бьоме, Жандос А. Молдабеков та ін. Відповідь статичної електронної густини теплого щільного водню: інтегральне моделювання Монте-Карло з початкового шляху. Фіз. Преподобний Лет. 129, 066402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066402
