Muitos objetos celestes, como estrelas ou planetas, contêm matéria que é exposta a altas temperaturas e pressão - os especialistas chamam de matéria densa quente (WDM). Embora este estado da matéria na Terra ocorra apenas no núcleo da Terra, a pesquisa sobre WDM é fundamental para várias áreas futuras, como energia limpa, materiais mais duros ou uma melhor compreensão dos sistemas solares. Em um estudo publicado recentemente em Cartas de revisão física , uma equipe liderada pelo físico Dr. Tobias Dornheim do Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) no Helmholtz Center Dresden-Rossendorf (HZDR) e ex-aluno da Kiel University (CAU), agora revela que a matéria densa quente se comporta de maneira significativamente diferente do que o assumido, o que põe em causa a sua descrição anterior.

Para estudar o estado exótico da matéria densa quente na Terra, os cientistas o criam artificialmente em laboratórios. Isso pode ser realizado por compressão através de poderosos lasers, por exemplo, no European XFEL em Schenefeld, perto de Hamburgo. "Uma amostra, como uma folha de plástico ou alumínio, é iluminado com um feixe de laser, ele aquece muito fortemente e então é comprimido por uma onda de choque gerada. O espectro resultante - que significa como a amostra se comporta sob essas condições - é registrado em detectores e em um escopo de 10 ^-10 m (1 angstrom) podemos determinar suas propriedades materiais, "explica o Dr. Jan Vorberger da HZDR, adicionando:"No entanto, parâmetros importantes como temperatura ou densidade não podem ser medidos diretamente. Portanto, modelos teóricos são de importância central para a avaliação dos experimentos de WDM. "

O sistema reage mais fraco quanto mais é perturbado

Tobias Dornheim desenvolve tais modelos de simulação para a descrição teórica de matéria densa quente. Pelo que os cientistas sabiam até agora, os cálculos foram baseados exclusivamente na suposição de uma "reação linear". Que significa, quanto mais as amostras - os chamados alvos - são atingidas pela irradiação a laser, assim, quanto mais fortemente os elétrons são excitados nesses materiais, mais fortemente eles reagem. Em sua nova publicação, Contudo, Dr. Tobias Dornheim de CASUS, Dr. Jan Vorberger de HZDR e Prof. Dr. Michael Bonitz de CAU agora mostram que sob forte excitação a reação é mais fraca do que o esperado. Eles concluem que é crucial levar em consideração os efeitos não lineares. Os resultados têm implicações de longo alcance para a interpretação de experimentos com matéria densa quente. "Com este estudo, lançamos as bases para muitos novos desenvolvimentos na teoria da matéria densa quente, "Dornheim estima, "e muitas pesquisas sobre a resposta de densidade eletrônica não linear do WDM serão feitas nos próximos anos."

Seus resultados são baseados em extensas simulações de computador usando o método estatístico quântico integral de Monte Carlo (PIMC). Richard Feynman lançou as bases do método na década de 1950. Nos últimos anos, O Dr. Dornheim melhorou com sucesso os algoritmos para tornar os cálculos mais eficientes e rápidos. No entanto, para o estudo mencionado, supercomputadores calculados em mais de 10, 000 núcleos de CPU por mais de 400 dias. Os cálculos foram realizados nos clusters de alto desempenho Hypnos e Hemera do HZDR, o cluster Taurus no Centro de Serviços de Informação e Computação de Alto Desempenho (ZIH) da Universidade Técnica de Dresden, computadores na Associação Alemã do Norte para Computação de Alto Desempenho (HLRN) e no centro de informática do CAU.

WDM pode desempenhar um papel importante para a indústria de energia

A pesquisa sobre matéria densa quente não é importante apenas para compreender a estrutura de planetas como Júpiter e Saturno ou nosso sistema solar e sua evolução, mas também é aplicado na ciência dos materiais, por exemplo, no desenvolvimento de materiais superduros. Contudo, poderia desempenhar o papel mais importante na indústria de energia, contribuindo para a realização da fusão inercial - uma fonte de energia limpa e quase inesgotável com potencial futuro.