Эта работа может дать представление о поведении материи в экспериментах по термоядерному синтезу, которые однажды могут привести к появлению востребованного источника чистой энергии.Электроны являются элементарным компонентом нашего мира и определяют многие свойства твердых тел и жидкостей. Они также проводят электрический ток, без которого наша высокотехнологичная среда со смартфонами, компьютерами и даже электрическими лампочками была бы невозможна.
Несмотря на их повсеместное распространение, ученые еще не смогли точно описать поведение большого количества взаимодействующих электронов.Это особенно верно при экстремальных температурах и плотностях, например, внутри планет или звезд, где электроны образуют «теплую плотную материю». Ученые могут выбирать из множества приблизительных моделей, но мало представляют их точность и надежность.
Теперь исследовательской группе, состоящей из групп из Имперского колледжа Лондона, Кильского университета в Лос-Аламосе и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в США, удалось описать электроны в этих экстремальных условиях с помощью точного моделирования.Результаты их исследований, которые решают давнюю проблему в физике, опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Профессор Мэтью Фоулкс из физического факультета Imperial сказал: «Потребовалось пять лет и команда ученых из трех стран, чтобы разработать новые методы, необходимые для точного описания теплой плотной материи."Теперь, наконец, мы в состоянии выполнять точное и прямое моделирование внутренних пространств планеты; твердых тел под интенсивным лазерным излучением; катализаторов, активируемых лазером, и других теплых плотных систем.«Это начало новой области вычислительной науки».
Как электроны ведут себя в «большом масштабе» — например, соотношение между электрическим напряжением, сопротивлением и током — часто легко описать. Однако на микроскопическом уровне электроны в жидкостях и твердых телах ведут себя по-разному в соответствии с законами квантовой механики.Эти электроны ведут себя как квантово-механический «газ», что можно понять, только решив сложные математические уравнения квантовой теории.В прошлом моделирование позволяло описать электронный газ только при очень низкой температуре.
Однако в последнее время растет интерес к материи в экстремальных условиях — в десять тысяч раз теплее, чем комнатная температура, и до ста раз плотнее, чем обычные твердые тела.В природе эта теплая плотная материя находится внутри планет, включая ядро Земли. Его также можно создать экспериментально в лаборатории, например, путем прицельной съемки твердого вещества с помощью высокоинтенсивного лазера или с помощью лазера на свободных электронах, такого как новый европейский XFEL в Гамбурге.Тёплое плотное вещество также актуально для экспериментов с термоядерным синтезом с инерционным удержанием, когда топливные таблетки подвергаются экстремальному давлению.
Это может вызвать цепные реакции, которые в будущем могут обеспечить практически неограниченный источник чистой энергии.В более ранних теориях поведения теплой плотной материи использовались модели, основанные на приближениях, которые трудно проверить. Однако, используя сложное компьютерное моделирование в этой последней работе, физики теперь могут точно решать сложные уравнения, описывающие электронный газ.
Команда достигла первого полного и окончательного описания термодинамических свойств взаимодействующих электронов в диапазоне теплой плотной материи. Профессор Майкл Бонитц, профессор теоретической физики и глава исследовательской группы в Киле, сказал: «Эти результаты являются первыми точными данными в этой области и поднимут наше понимание материи при экстремальных температурах на новый уровень».
«Среди прочего, существующие модели 40-летней давности теперь могут быть впервые пересмотрены и улучшены».Команда надеется, что обширные наборы данных и формулы, созданные в рамках проекта, будут важны для сравнения с экспериментами и послужат вкладом в дальнейшие теории, помогая другим ученым в их исследованиях.