Dạng phổ biến nhất của hydro trong vũ trụ không phải là khí không màu và không mùi cũng không phải là các phân tử chứa hydro như nước đã được biết đến trên trái đất. Đó là hydro ấm, dày đặc tạo nên sao và hành tinh. Trong một số tình huống, hydro này thậm chí có thể dẫn điện như kim loại.
Các nhà khoa học tại Trung tâm Tìm hiểu Hệ thống Tiên tiến (CASUS) tại Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) đã tiến một bước quan trọng để mô tả chính xác hơn bao giờ hết hydro đậm đặc ấm áp. Họ đã sử dụng một phương pháp mô phỏng dựa trên các con số ngẫu nhiên.
Lần đầu tiên, cách tiếp cận của họ có thể giải quyết vấn đề cơ bản động lượng tử của các electron khi nhiều nguyên tử hydro tương tác trong các điều kiện thường thấy ở bên trong hành tinh hoặc lò phản ứng nhiệt hạch.
Các nhà khoa học đã chứng minh rằng các tính chất của hydro dày đặc ấm áp có thể được mô tả chính xác với cái gọi là mô phỏng Quantum Monte Carlo (QMC).
Böhme, đang theo học tiến sĩ với công việc của mình tại CASUS, cho biết: “Phương pháp của chúng tôi không dựa vào các phép tính gần đúng mà các phương pháp trước đây mắc phải. Thay vào đó, nó trực tiếp tính toán các động lực học lượng tử cơ bản và do đó rất chính xác. Tuy nhiên, cách tiếp cận của chúng tôi hạn chế mở rộng quy mô vì nó đòi hỏi cường độ tính toán cao. Mặc dù dựa vào những siêu máy tính lớn nhất, chúng ta cũng chỉ có thể xử lý số lượng hạt trong phạm vi hai chữ số.”
Về cơ bản, các nhà khoa học dựa vào các mô phỏng để làm sáng tỏ các đặc tính của hydro và các vật chất khác trong các điều kiện khắc nghiệt. Một trong những phổ biến được gọi là lý thuyết hàm mật độ (DFT). Mặc dù thành công của nó, hydro dày đặc được đun nóng vẫn chưa được mô tả đầy đủ. Sự biện minh cơ bản là các mô hình chính xác đòi hỏi sự hiểu biết chi tiết về cách các electron tương tác trong hydro dày đặc, ấm áp.
Tầm quan trọng của phương pháp mới có thể được mở rộng. Bằng cách kết hợp khéo léo PIMC và DFT, có thể đạt được độ chính xác của phương pháp PIMC cũng như tốc độ và khả năng thích ứng của phương pháp DFT, vốn đòi hỏi ít nỗ lực tính toán hơn nhiều.
Trưởng nhóm điều tra viên trẻ Tiến sĩ Tobias Dornheim nói, “Cho đến nay, các nhà khoa học đang tìm kiếm trong sương mù để tìm ra các giá trị gần đúng đáng tin cậy cho mối tương quan của các electron trong các mô phỏng DFT của họ. Sử dụng kết quả PIMC cho rất ít hạt làm tham chiếu, giờ đây họ có thể điều chỉnh cài đặt của mô phỏng DFT cho đến khi chúng khớp với kết quả PIMC. Với các mô phỏng DFT được cải tiến, chúng tôi sẽ có thể mang lại kết quả chính xác trong các hệ thống có hàng trăm đến thậm chí hàng nghìn hạt.”
Bằng cách điều chỉnh phương pháp này, các nhà khoa học có thể tăng cường đáng kể DFT, dẫn đến các mô phỏng được cải thiện về hành vi của bất kỳ loại vật chất hoặc vật liệu nào. Trong nghiên cứu cơ bản, nó sẽ cho phép các mô phỏng dự đoán mà các nhà vật lý thực nghiệm cần so sánh với những phát hiện thực nghiệm của họ từ các cơ sở hạ tầng quy mô lớn như Cơ sở Laser điện tử tia X châu Âu (XFEL châu Âu) gần Hamburg (Đức), Nguồn sáng kết hợp Linac (LCLS) tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia ở Menlo Park hoặc Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở Livermore (cả Hoa Kỳ).
Tạp chí tham khảo:
- Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov et al. Đáp ứng mật độ điện tử tĩnh của hydro đậm đặc ấm: Mô phỏng Monte Carlo tích phân đường dẫn Ab Initio. Vật lý. Mục sư Lett. 129, 066402. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.066402
