Les chercheurs utilisent des nombres aléatoires pour décrire avec précision l’hydrogène chaud et dense trouvé à l’intérieur de certaines planètes

Découvrir les propriétés des systèmes quantiques constitués de nombreuses particules en interaction reste un défi de taille. Bien que les équations mathématiques sous-jacentes soient connues depuis longtemps, elles sont trop complexes pour être résolues dans la pratique. Briser cette barrière conduirait très probablement à une pléthore de nouvelles découvertes et applications en physique, en chimie et en sciences des matériaux.

Les chercheurs du Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont maintenant fait un grand pas en avant en décrivant ce que l’on appelle l’hydrogène chaud et dense – l’hydrogène dans des conditions extrêmes comme les hautes pressions – plus précisément que jamais. . Leurs travaux sont publiés dans Lettres d’examen physique.

L’approche des scientifiques, basée sur une méthode qui utilise des nombres aléatoires, peut pour la première fois résoudre la dynamique quantique fondamentale des électrons impliqués lorsque de nombreux atomes d’hydrogène interagissent dans des conditions trouvées, par exemple, à l’intérieur des planètes ou dans les réacteurs de fusion.

L’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’univers. C’est le carburant qui alimente les étoiles, y compris notre soleil, et il constitue l’intérieur de planètes telles que la géante gazeuse de notre système solaire, Jupiter. La forme la plus courante d’hydrogène dans l’univers n’est pas le gaz incolore et inodore, ni les molécules contenant de l’hydrogène comme l’eau qui sont bien connues sur Terre.

C’est l’hydrogène chaud et dense des étoiles et des planètes – hydrogène extrêmement comprimé – qui, dans certains cas, conduit l’électricité comme le font les métaux. La recherche sur la matière dense chaude se concentre sur la matière dans des conditions telles que des températures ou des pressions très élevées que l’on trouve couramment partout dans l’univers, à l’exception de la surface de la Terre où elles ne se produisent pas naturellement.

Les méthodes de simulation et leurs limites

En essayant d’élucider les caractéristiques de l’hydrogène et d’autres matières dans des conditions extrêmes, les scientifiques s’appuient fortement sur des simulations. Une théorie largement utilisée est appelée théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Malgré son succès, il n’a pas réussi à décrire l’hydrogène chaud et dense. La raison principale est que des simulations précises nécessitent une connaissance précise de l’interaction des électrons dans l’hydrogène chaud et dense.

Mais cette connaissance fait défaut et les scientifiques doivent encore se fier à des approximations de cette interaction, ce qui conduit à des résultats de simulation inexacts. En raison de ce manque de connaissances, il n’est pas possible, par exemple, de simuler avec précision la phase de chauffage des réactions de fusion par confinement inertiel (ICF). La suppression de cet obstacle pourrait faire progresser considérablement l’ICF, l’une des deux principales branches de la recherche sur l’énergie de fusion, pour devenir une technologie pertinente de production d’énergie sans carbone à l’avenir.

Dans la nouvelle publication, l’auteur principal Maximilian Böhme, le Dr Zhandos Moldabekov, le chef du groupe de jeunes chercheurs Dr Tobias Dornheim (tous CASUS-HZDR) et le Dr Jan Vorberger (Institut de physique des rayonnements-HZDR) montrent pour la première fois que les propriétés d’hydrogène chaud et dense peut être décrit très précisément avec des simulations dites Quantum Monte Carlo (QMC).

« Ce que nous avons fait, c’est d’étendre une méthode QMC appelée Monte-Carlo intégrale de chemin (PIMC) pour simuler la réponse de densité électronique statique de l’hydrogène chaud et dense », explique Böhme, qui poursuit un doctorat avec son travail à CASUS. « Notre méthode ne repose pas sur les approximations dont les approches précédentes ont souffert. Au lieu de cela, elle calcule directement la dynamique quantique fondamentale et est donc très précise. En ce qui concerne l’échelle, cependant, notre approche a ses limites car elle est intense en calcul. Même si [we are] en s’appuyant sur les plus grands supercalculateurs, nous ne pouvons jusqu’à présent gérer que des nombres de particules dans la plage à deux chiffres. »

Des échelles plus élevées et toujours précises

Les implications de la nouvelle méthode pourraient être considérables : combiner intelligemment PIMC et DFT pourrait entraîner des avantages à la fois de la précision de la méthode PIMC et de la vitesse et de la polyvalence de la méthode DFT, cette dernière étant beaucoup moins intense en termes de calcul.

« Jusqu’à présent, les scientifiques fouillaient dans le brouillard pour trouver des approximations fiables des corrélations électroniques dans leurs simulations DFT », explique Dornheim. « En utilisant les résultats PIMC pour très peu de particules comme référence, ils peuvent désormais ajuster les paramètres de leurs simulations DFT jusqu’à ce que les résultats DFT correspondent aux résultats PIMC. Avec les simulations DFT améliorées, nous devrions être en mesure de produire des résultats exacts dans des systèmes de centaines à même des milliers de particules. »

En adaptant cette approche, les scientifiques pourraient améliorer considérablement la DFT, ce qui se traduira par des simulations améliorées du comportement de tout type de matière ou de matériau. En recherche fondamentale, il permettra des simulations prédictives que les physiciens expérimentateurs doivent comparer à leurs résultats expérimentaux provenant d’infrastructures à grande échelle comme l’European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) près de Hambourg (Allemagne), le Linac Coherent Light Source (LCLS) au National Accelerator Laboratory de Menlo Park, ou au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory à Livermore (tous deux aux États-Unis).

En ce qui concerne l’hydrogène, les travaux de Böhme et de ses collègues pourraient potentiellement contribuer à clarifier les détails de la façon dont l’hydrogène chaud et dense devient de l’hydrogène métallique, une nouvelle phase de l’hydrogène étudiée de manière intensive à la fois par des expériences et des simulations. La génération expérimentale d’hydrogène métallique en laboratoire pourrait permettre des applications intéressantes à l’avenir.