Zbiorowy efekt kwantowy: Gdy elektrony trzymają się razem

Nieliniowe reakcje ciepłej gęstej materii opisane po raz pierwszy

Wiele obiektów kosmicznych, takich jak gwiazdy czy planety, zawiera materię wystawioną na działanie wysokich temperatur i ciśnienia – eksperci nazywają ją ciepłą gęstą materią (WDM). Chociaż ten stan materii na Ziemi występuje tylko w jądrze Ziemi, badania nad WDM mają fundamentalne znaczenie dla różnych przyszłych obszarów, takich jak czysta energia, twardsze materiały lub lepsze zrozumienie układów słonecznych. W badaniu opublikowanym niedawno w Physical Review Letters (DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.085001), zespół kierowany przez fizyka dr Tobiasa Dornheima z Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) ujawnia teraz, że ciepła gęsta materia zachowuje się znacznie inaczej niż zakładano, co podważa jej wcześniejszy opis.

Aby zbadać egzotyczny stan ciepłej, gęstej materii na Ziemi, naukowcy tworzą ją sztucznie w laboratoriach. Można to osiągnąć poprzez kompresję za pomocą potężnych laserów, na przykład w europejskim XFEL w Schenefeld koło Hamburga. „Próbka, taka jak plastik lub folia aluminiowa, jest oświetlana wiązką lasera, bardzo mocno się nagrzewa, a następnie jest ściskana przez wygenerowaną falę uderzeniową. Powstałe widmo – czyli to, jak próbka zachowuje się w tych warunkach – jest rejestrowane na detektorach i w zakresie 10-10 m (1 angstrem) możemy określić jej właściwości materiałowe”, wyjaśnia dr Jan Vorberger z Centrum Helmholtza Drezno-Rossendorf (HZDR), dodając: „Jednak ważne parametry, takie jak temperatura czy gęstość, nie mogą być mierzone bezpośrednio. Dlatego modele teoretyczne mają kluczowe znaczenie dla oceny eksperymentów WDM”.

System reaguje tym słabiej, im bardziej jest pertubowany

Tobias Dornheim opracowuje takie modele symulacyjne do teoretycznego opisu ciepłej gęstej materii. Z tego, co naukowcy wiedzieli do tej pory, obliczenia opierały się wyłącznie na założeniu „reakcji liniowej”. Oznacza to, że im bardziej próbki – tak zwane cele – są naświetlane laserem, a tym samym im silniej elektrony są wzbudzane w tych materiałach, tym silniej reagują. Jednak w swojej nowej publikacji dr Tobias Dornheim z CASUS, dr Jan Vorberger z HZDR i prof. dr Michael Bonitz z Uniwersytetu im. Christiana Albrechta w Kilonii pokazują teraz, że przy silnym wzbudzeniu reakcja jest słabsza niż oczekiwano. Dochodzą oni do wniosku, że kluczowe jest uwzględnienie efektów nieliniowych. Wyniki mają daleko idące implikacje dla interpretacji eksperymentów z ciepłą, gęstą materią. „Dzięki temu badaniu położyliśmy podwaliny pod wiele nowych osiągnięć w teorii ciepłej gęstej materii”, szacuje Dornheim, „a wiele badań nad nieliniową reakcją gęstości elektronowej WDM zostanie przeprowadzonych w ciągu najbliższych lat”.

Dodatkowe informacje:

dr Tobias Dornheim

Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)

Kontakt dla mediów:

dr Martin Laqua

Menedżer Komunikacja, Prasa i Public Relations
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)

Symulacja zaburzenia układu ciepłej gęstej materii przez wiązkę lasera. Zdjęcie: Jan Vorberger

Ich wyniki opierają się na szeroko zakrojonych symulacjach komputerowych z wykorzystaniem kwantowej statystycznej metody Monte Carlo (PIMC). Richard Feynman położył podwaliny pod tę metodę w latach 50. ubiegłego wieku. W ostatnich latach dr Dornheim z powodzeniem ulepszył algorytmy, aby obliczenia były bardziej wydajne i szybsze. Niemniej jednak, w przypadku wspomnianego badania, superkomputery obliczały na ponad 10 000 rdzeni procesora przez ponad 40 dni. Obliczenia zostały przeprowadzone na wysokowydajnych klastrach Hypnos i Hemera w Centrum Helmholtza Drezno-Rossendorf (HZDR), klastrze Taurus w Centrum Usług Informatycznych i Obliczeń Wysokowydajnych (ZIH) Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie, komputerach w Północnoniemieckim Stowarzyszeniu Obliczeń Wysokowydajnych (HLRN) oraz w centrum komputerowym Uniwersytetu w Kilonii.

WDM może odegrać ważną rolę w branży energetycznej

Badania nad ciepłą gęstą materią są ważne nie tylko dla zrozumienia struktury planet takich jak Jowisz i Saturn czy naszego Układu Słonecznego i jego ewolucji, ale znajdują również zastosowanie w materiałoznawstwie, na przykład w opracowywaniu supertwardych materiałów. Jednak najważniejszą rolę może odegrać w energetyce, przyczyniając się do realizacji fuzji inercyjnej – niemal niewyczerpanego i czystego źródła energii z potencjałem na przyszłość.

________________________________________________________

Publikacja

T. Dornheim, J. Vorberger, M. Bonitz: Nonlinear Electronic Density Response in Warm Dense Matter, w Physical Review Letters, 2020 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.085001)

________________________________________________________

O pierwszym autorze:

Tobias Dornheim jest fizykiem komputerowym, którego badania koncentrują się na metodach Monte Carlo. Otrzymał tytuł doktora na Uniwersytecie Christiana-Albrechta w Kilonii za opis jednorodnego gazu elektronowego w warunkach ciepłej gęstej materii przy użyciu metody Monte Carlo. W 2018 r. otrzymał nagrodę U30 Young Investigator Award Wydziału Fizyki Plazmy Stowarzyszenia Towarzystw Fizycznych Azji i Pacyfiku w Japonii. W 2019 r. otrzymał nagrodę wydziałową Uniwersytetu w Kilonii, a także nagrodę „Nanophysics PhD Award” Kiel Research Center Kiel Nano, Surface and Interface Science (KiNSIS) za swoją pracę doktorską. Od marca 2019 r. dr Dornheim jest pracownikiem naukowym w dziedzinie ciepłej gęstej materii w Center for Advanced Systems Understanding w Görlitz, gdzie może kontynuować swoje badania w interdyscyplinarnym zespole.

Dodatkowe informacje:

dr Tobias Dornheim

Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)

t.dornheim@hzdr.de

Kontakt dla mediów:

dr Martin Laqua

Menedżer Komunikacja, Prasa i Public Relations Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)