O que exatamente acontece dentro das estrelas de nêutrons - o estágio final de uma estrela gigante - é objeto de especulação. Em termos de física, o interior das estrelas de nêutrons, gases atômicos frios e sistemas nucleares têm uma coisa em comum:são sistemas gasosos compostos de alta interatividade, férmions superfluidos. Os pesquisadores alimentaram o supercomputador Piz Daint com um novo método de simulação, e os resultados estão finalmente oferecendo uma visão sobre processos desconhecidos de tais sistemas.

Estrelas de nêutrons, gases atômicos frios e sistemas nucleares são todos sistemas gasosos compostos de alta interatividade, férmions superfluidos, isto é, sistemas cuja matéria é composta de partículas com spin meio inteiro (momento angular intrínseco). A categoria de férmions inclui elétrons, prótons e nêutrons. Em temperaturas muito baixas, esses sistemas são descritos como superfluidos, o que significa que as partículas neles contidas não geram qualquer atrito interno e possuem a propriedade de condutividade térmica quase perfeita.

Esses gases superfluidos de Fermi não se comportam de acordo com as leis da física clássica, mas pode ser melhor descrito usando as leis da mecânica quântica. Gabriel Wlazłowski, professor assistente da Warsaw University of Technology e da University of Washington em Seattle, e sua equipe desenvolveu recentemente um novo método baseado na teoria do funcional da densidade (DFT). Com a ajuda do supercomputador Piz Daint, eles pretendem criar uma descrição altamente precisa desses sistemas de férmions superfluidos e sua dinâmica. Em outras palavras, eles descreverão como os vórtices se formam e decaem nesta "nuvem atômica". Os resultados foram publicados em Cartas de revisão física .

Semelhante a uma festa de dança folclórica

Em gases Fermi superfluidos, férmions individuais e férmions correlacionados ocorrem lado a lado. De correlações entre partículas com spins opostos, surgem propriedades supercondutoras dos materiais. Férmions correlacionados, como elétrons em supercondutores, existem em pares como um condensado e são chamados de pares de Cooper. Cada par pode se mover pelo sistema sem perda de energia. Contudo, por muitos anos, foi investigado o que acontece em casos de desequilíbrio de spin, porque nem toda partícula pode encontrar um parceiro com spin oposto para formar o par de Cooper. "A situação é semelhante a uma festa de dança folclórica, onde o número de homens e mulheres é desequilibrado, alguém ficaria frustrado porque não consegue formar um par, "diz Wlazłowski. O que os átomos desemparelhados fazem? Isso é exatamente o que os pesquisadores têm estudado.

Uma descrição precisa dos gases Fermi superfluidos, especialmente de sistemas desequilibrados de spin, anteriormente era muito difícil. O desequilíbrio de rotação ocorre quando um sistema é afetado por um campo magnético, Gabriel Wlazłowski diz. O objetivo do pesquisador agora é aplicar o formalismo DFT às estrelas de nêutrons e também aos magnetares - estrelas de nêutrons com forte campo magnético - para prever o que acontece em seu interior. "Claramente, não há como sondar explicitamente o interior das estrelas. Assim, precisamos contar com simulações, para o qual precisamos de ferramentas confiáveis, "Wlazłowski diz. Portanto, os pesquisadores procuravam um sistema terrestre que compartilhasse muitas semelhanças com o sistema-alvo. "Acontece que gases atômicos ultrafrios com forte interação são muito semelhantes à matéria de nêutrons."

Para seus experimentos numéricos, os pesquisadores usaram a descrição teórica quântica mais completa atualmente disponível para sistemas de muitos corpos para descrever este tipo de sistema. Isso permitiu que eles produzissem uma teoria DFT mais aprofundada para sistemas de superfluidos. Eles também o combinaram com uma aproximação de densidade local de superfluido dependente do tempo especial para um gás Fermi desequilibrado por spin unitário. “Sem aproximação, supercondutor DFT levará a equações integro-diferencial que estão além do alcance, mesmo para supercomputadores exascale, "Wlazłowski diz. Com o estudo atual, os pesquisadores agora podem demonstrar que esta aproximação está funcionando muito bem nos sistemas considerados.

Correlação entre simulação e experimento

"Ao criar uma visualização dos cálculos e comparar essas imagens com fotos de experimentos, fomos capazes de observar esses sistemas mecânicos quânticos diretamente, "diz Wlazłowski." Comparar os resultados teóricos e experimentais rendeu excelentes correlações. "Isso permitiu aos pesquisadores oferecer uma prova de que seu novo método de cálculo do comportamento de tais sistemas funciona. O próximo passo será aplicarem o método aos processos que nunca será visível a olho nu, como aquelas dentro das estrelas de nêutrons.

Outra descoberta importante veio das observações dos pesquisadores de três diferentes padrões de decaimento de vórtices nos superfluidos. De acordo com os pesquisadores, os vários padrões de decaimento (veja a figura) dependem da polarização do spin das partículas do sistema. Eles também dizem que a polarização é causada pelo efeito de sucção das partículas desemparelhadas no gás superfluido. Em outras palavras:a natureza tenta coletar partículas desemparelhadas em regiões, onde eles não atrapalham o fluxo. Núcleos de vórtices quantizados são esses lugares, e a polarização dos diferentes vórtices deve, então, impedir que eles se liguem novamente, ou assim os pesquisadores prevêem. Eles, portanto, assumem que os efeitos de polarização têm uma influência considerável nos fenômenos quânticos e levarão a novos, áreas ainda a serem descobertas da física. "Contudo, apenas mostrar que reproduzimos alguns dados não é suficiente - podemos prever algo completamente novo? ", Wlazłowski perguntou a si mesmo. Para ele, a próxima barreira importante a superar será descobrir se o método tem poder preditivo.

Esse tipo de problema altamente complexo requer um enorme poder de computação. Tecnicamente, os pesquisadores resolvem centenas de milhares de equações diferenciais parciais 3-D acopladas não lineares dependentes do tempo (PDEs). Por esta razão, os autores do estudo enviaram um pedido de tempo de computação à Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) e receberam acesso para usar Piz Daint no CSCS, Porque, de acordo com os autores, na Europa, apenas Piz Daint pode fazer esse tipo de cálculo.