Forscher verwenden Zufallszahlen, um den warmen, dichten Wasserstoff, der im Inneren einiger Planeten vorkommt, genau zu beschreiben

Die Entdeckung der Eigenschaften von Quantensystemen, die aus vielen wechselwirkenden Teilchen bestehen, ist noch immer eine große Herausforderung. Die zugrunde liegenden mathematischen Gleichungen sind zwar seit langem bekannt, aber zu komplex, um sie in der Praxis zu lösen. Das Durchbrechen dieser Barriere würde höchstwahrscheinlich zu einer Fülle neuer Erkenntnisse und Anwendungen in der Physik, Chemie und den Materialwissenschaften führen.

Forschern des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ist nun ein großer Schritt gelungen, indem sie sogenannten warmen dichten Wasserstoff – Wasserstoff unter extremen Bedingungen wie Hochdruck – genauer als je zuvor beschreiben . Ihre Arbeit ist veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Der Ansatz der Wissenschaftler, der auf einer Methode basiert, die Zufallszahlen verwendet, kann erstmals die grundlegende Quantendynamik der beteiligten Elektronen lösen, wenn viele Wasserstoffatome unter Bedingungen interagieren, die beispielsweise im Inneren von Planeten oder in Fusionsreaktoren zu finden sind.

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Es ist der Brennstoff, der die Sterne einschließlich unserer Sonne antreibt, und es bildet das Innere von Planeten wie dem Gasriesen Jupiter unseres Sonnensystems. Die häufigste Form von Wasserstoff im Universum ist weder das farb- und geruchlose Gas noch die auf der Erde bekannten wasserstoffhaltigen Moleküle wie Wasser.

Es ist der warme, dichte Wasserstoff von Sternen und Planeten – extrem komprimierter Wasserstoff – der in bestimmten Fällen Elektrizität leitet wie Metalle. Die Erforschung warmer dichter Materie konzentriert sich auf Materie unter Bedingungen wie sehr hohen Temperaturen oder Drücken, die üblicherweise überall im Universum anzutreffen sind, mit Ausnahme der Erdoberfläche, wo sie nicht natürlich vorkommen.

Simulationsmethoden und ihre Grenzen

Bei dem Versuch, die Eigenschaften von Wasserstoff und anderen Stoffen unter extremen Bedingungen aufzuklären, verlassen sich Wissenschaftler stark auf Simulationen. Eine weit verbreitete ist die sogenannte Dichtefunktionaltheorie (DFT). Trotz seines Erfolgs ist es bei der Beschreibung von warmem, dichtem Wasserstoff zu kurz gekommen. Der Hauptgrund ist, dass genaue Simulationen eine genaue Kenntnis der Wechselwirkung von Elektronen in warmem, dichtem Wasserstoff erfordern.

Aber dieses Wissen fehlt, und die Wissenschaftler müssen sich immer noch auf Annäherungen an diese Wechselwirkung verlassen, was zu ungenauen Simulationsergebnissen führt. Aufgrund dieser Wissenslücke ist es beispielsweise nicht möglich, die Aufheizphase von Inertial Confinement Fusion (ICF)-Reaktionen genau zu simulieren. Die Beseitigung dieser Hürde könnte ICF, einen von zwei Hauptzweigen der Fusionsenergieforschung, erheblich voranbringen, um in Zukunft zu einer relevanten kohlenstofffreien Stromerzeugungstechnologie zu werden.

In der neuen Publikation zeigen Erstautor Maximilian Böhme, Dr. Zhandos Moldabekov, Nachwuchsgruppenleiter Dr. Tobias Dornheim (alle CASUS-HZDR) und Dr. Jan Vorberger (Institut für Strahlenphysik-HZDR) erstmals diese Eigenschaften von warmem, dichtem Wasserstoff lässt sich mit sogenannten Quanten-Monte-Carlo-Simulationen (QMC) sehr genau beschreiben.

„Wir haben eine QMC-Methode namens Path-Integral Monte-Carlo (PIMC) erweitert, um die statische elektronische Dichteantwort von warmem, dichtem Wasserstoff zu simulieren“, sagt Böhme, der mit seiner Arbeit bei CASUS promoviert. „Unsere Methode verlässt sich nicht auf die Näherungen, unter denen frühere Ansätze litten, sondern berechnet direkt die fundamentale Quantendynamik und ist daher sehr genau. In Bezug auf die Skalierung hat unser Ansatz jedoch seine Grenzen, da er rechenintensiv ist [we are] Mit den größten Supercomputern kommen wir bisher nur mit Partikelzahlen im zweistelligen Bereich zurecht.“

Höher skaliert – und trotzdem präzise

Die Implikationen der neuen Methode könnten weitreichend sein: Die geschickte Kombination von PIMC und DFT könnte zu Vorteilen sowohl aus der Genauigkeit der PIMC-Methode als auch aus der Geschwindigkeit und Vielseitigkeit der DFT-Methode führen – letztere ist weitaus weniger rechenintensiv.

„Bisher stocherten Wissenschaftler im Nebel, um in ihren DFT-Simulationen verlässliche Näherungen für Elektronenkorrelationen zu finden“, sagt Dornheim. „Indem sie die PIMC-Ergebnisse für sehr wenige Partikel als Referenz verwenden, können sie jetzt die Einstellungen ihrer DFT-Simulationen anpassen, bis die DFT-Ergebnisse mit den PIMC-Ergebnissen übereinstimmen. Mit den verbesserten DFT-Simulationen sollten wir in der Lage sein, exakte Ergebnisse in Systemen von Hunderten von bis zu liefern sogar Tausende von Teilchen.“

Durch die Anpassung dieses Ansatzes könnten Wissenschaftler die DFT erheblich verbessern, was zu verbesserten Simulationen des Verhaltens jeder Art von Materie oder Material führen wird. In der Grundlagenforschung wird es Vorhersagesimulationen ermöglichen, die Experimentalphysiker mit ihren experimentellen Erkenntnissen aus großen Infrastrukturen wie der European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) in der Nähe von Hamburg (Deutschland), der Linac Coherent Light Source, vergleichen müssen (LCLS) am National Accelerator Laboratory in Menlo Park oder der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore (beide USA).

In Bezug auf Wasserstoff könnte die Arbeit von Böhme und seinen Kollegen möglicherweise dazu beitragen, die Details zu klären, wie warmer dichter Wasserstoff zu metallischem Wasserstoff wird, einer neuen Phase von Wasserstoff, die sowohl durch Experimente als auch durch Simulationen intensiv untersucht wird. Die experimentelle Erzeugung von metallischem Wasserstoff im Labor könnte in Zukunft interessante Anwendungen ermöglichen.