Os pesquisadores modelaram as ações dos elétrons sob temperaturas e densidades extremas, como aqueles encontrados em planetas e estrelas.

O trabalho pode fornecer informações sobre o comportamento da matéria em experimentos de fusão, o que pode um dia levar a uma fonte muito procurada de energia limpa.

Os elétrons são um componente elementar de nosso mundo e determinam muitas das propriedades de sólidos e líquidos. Eles também carregam corrente elétrica, sem o qual nosso ambiente de alta tecnologia com smartphones, computadores e até lâmpadas não seriam possíveis.

Apesar de sua onipresença, os cientistas ainda não foram capazes de descrever com precisão o comportamento de um grande número de elétrons em interação.

Isso é especialmente verdadeiro em temperaturas e densidades extremas, como dentro de planetas ou estrelas, onde os elétrons formam 'matéria densa quente'. Os cientistas têm muitos modelos aproximados para escolher, mas pouca ideia de sua precisão ou confiabilidade.

Agora, uma equipe de pesquisa composta por grupos do Imperial College London, Kiel University, e Los Alamos and the Lawrence Livermore National Laboratories nos EUA, conseguiu descrever os elétrons sob essas condições extremas por meio de simulações precisas.

Suas descobertas de pesquisa, que resolvem um problema de décadas de idade na física, são publicados no jornal Cartas de revisão física .

Cinco anos e três países

Professor Matthew Foulkes, do Departamento de Física do Imperial, disse:"Demorou cinco anos e uma equipe de cientistas de três países para desenvolver as novas técnicas necessárias para descrever a matéria densa quente com precisão.

"Agora, Afinal, estamos em condições de realizar simulações precisas e diretas dos interiores planetários; sólidos sob intensa irradiação a laser; catalisadores ativados por laser; e outros sistemas densos quentes.

"Este é o início de um novo campo da ciência computacional."

Como os elétrons se comportam em "grande escala" - por exemplo, a relação entre a voltagem elétrica, resistência e corrente - muitas vezes é fácil de descrever. Em um nível microscópico, Contudo, os elétrons em líquidos e sólidos se comportam de maneira diferente, de acordo com as leis da mecânica quântica.

Esses elétrons se comportam como um 'gás' de mecânica quântica, que só pode ser entendido resolvendo as complicadas equações matemáticas da teoria quântica.

Matéria densa quente

No passado, simulações só foram capazes de descrever o gás de elétron em temperatura muito baixa. Recentemente, Contudo, tem havido um interesse crescente na matéria sob condições extremas - dez mil vezes mais quente do que a temperatura ambiente e até cem vezes mais denso do que os sólidos convencionais.

Na natureza, esta matéria densa quente ocorre dentro de planetas, incluindo o núcleo da Terra. Também pode ser criado experimentalmente em laboratório, por exemplo, por meio de tiro direcionado de matéria sólida com um laser de alta intensidade, ou com um laser de elétrons livres, como o novo XFEL europeu em Hamburgo.

Matéria densa quente também é relevante para experimentos com fusão por confinamento inercial, onde pelotas de combustível são colocadas sob extrema pressão. Isso pode causar reações em cadeia que podem fornecer uma fonte virtualmente ilimitada de energia limpa no futuro.

As teorias anteriores do comportamento da matéria densa quente usavam modelos baseados em aproximações que são difíceis de verificar. Contudo, usando sofisticadas simulações de computador neste último trabalho, os físicos agora são capazes de resolver com precisão as equações complexas que descrevem o gás do elétron.

Melhorando modelos de 40 anos

A equipe conseguiu a primeira descrição completa e final das propriedades termodinâmicas dos elétrons em interação na faixa da matéria densa quente. Professor Michael Bonitz, professor de física teórica e chefe da equipe de pesquisa de Kiel, disse:"Estes resultados são os primeiros dados exatos nesta área, e levará nossa compreensão da matéria em temperaturas extremas a um novo nível. "

"Entre outras coisas, os modelos existentes com 40 anos agora podem ser revisados ​​e aprimorados pela primeira vez. "

A equipe espera que os extensos conjuntos de dados e fórmulas construídos no projeto sejam importantes para comparação com os experimentos e forneçam informações para outras teorias, ajudando outros cientistas em suas pesquisas.