O estudo da matéria densa quente nos ajuda a entender o que está acontecendo dentro de planetas gigantes, anãs marrons, e estrelas de nêutrons. Contudo, este estado da matéria, que exibe propriedades de sólidos e plasmas, não ocorre naturalmente na Terra. Pode ser produzido artificialmente em laboratório usando grandes experimentos de raios-X, embora apenas em pequena escala e por curtos períodos de tempo. Modelos teóricos e numéricos são essenciais para avaliar esses experimentos, que são impossíveis de interpretar sem fórmulas, algoritmos, e simulações. Cientistas do Centro de Compreensão de Sistemas Avançados (CASUS) no Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) desenvolveram agora um método para avaliar tais experimentos de forma mais eficaz e rápida do que antes.

Descrever o estado exótico da matéria densa quente representa um desafio extraordinário para os pesquisadores. Para um, modelos comuns de física de plasma não conseguem lidar com as altas densidades que prevalecem neste estado. E por outro, mesmo os modelos de matéria condensada não são mais eficazes sob as imensas energias que isso acarreta. Uma equipe em torno do Dr. Tobias Dornheim, Dr. Attila Cangi, Kushal Ramakrishna, e Maximilian Böhme da CASUS em Görlitz estão trabalhando na modelagem de tais sistemas complexos. Os resultados iniciais foram publicados recentemente na revista Cartas de revisão física . A equipe juntou forças com o Dr. Jan Vorberger do Instituto de Física de Radiação do HZDR e o Prof. Shigenori Tanaka da Universidade de Kobe no Japão para desenvolver um novo método para calcular as propriedades da matéria densa quente com mais eficiência e rapidez.

"Com nosso algoritmo, podemos realizar cálculos altamente precisos da correção de campo local, que descreve a interação dos elétrons na matéria densa quente e, portanto, nos permite desbloquear suas propriedades. Podemos usar este cálculo para modelar e interpretar os resultados em futuros experimentos de espalhamento de raios-X, mas também como base para outros métodos de simulação. Nosso método ajuda a determinar as propriedades da matéria densa quente, como temperatura e densidade, mas também sua condutividade para corrente elétrica ou calor e muitas outras características, "Dornheim explica.

Computadores mainframe e redes neurais

"A motivação por trás de nosso método é que nós e muitos outros pesquisadores gostaríamos de saber exatamente como os elétrons se comportam sob a influência de pequenas perturbações, como o efeito de um feixe de raios-X. Podemos derivar uma fórmula para isso, mas é muito complexo para ser resolvido com lápis e papel. É por isso que antes recorríamos a uma certa simplificação, que, Contudo, falhou em mostrar alguns efeitos físicos importantes. Agora introduzimos uma correção que remove essa mesma falha, "Dornheim continua.

Para implementá-lo, eles conduziram simulações computacionalmente intensas ao longo de milhões de horas de processador em computadores mainframe. Com base nesses dados e com a ajuda de métodos estatísticos analíticos, os cientistas treinaram uma rede neural para prever numericamente a interação dos elétrons. Os ganhos de eficiência proporcionados pela nova ferramenta dependem da aplicação específica. "Em geral, no entanto, podemos dizer que os métodos anteriores exigiam milhares de horas de processador para atingir um alto grau de precisão, enquanto nosso método leva apenas alguns segundos, "diz Attila Cangi, que ingressou no CASUS vindo do Sandia National Laboratories nos Estados Unidos. "Portanto, agora podemos realizar a simulação em um laptop, ao passo que precisávamos de um supercomputador."

Outlook:um novo código padrão para avaliação de experimentos

Por enquanto, o novo código só pode ser usado para elétrons em metais, por exemplo, em experimentos com alumínio. Contudo, os pesquisadores já estão trabalhando em um código que pode ser aplicado de forma mais geral e que deve fornecer resultados para uma ampla variedade de materiais em condições muito diferentes no futuro. "Queremos incorporar nossas descobertas em um novo código, que será de código aberto, ao contrário do código atual, que é licenciado e, portanto, difícil de se adaptar a novos insights teóricos, "explica Maximilian Böhme, um estudante de doutorado com CASUS que está colaborando nisso com o físico britânico de plasma Dave Chapman.

Esses experimentos de raios-X para estudar matéria densa quente só são possíveis em um punhado de grandes laboratórios, incluindo o XFEL europeu perto de Hamburgo, Alemanha, mas também a Linear Coherent Light Source (LCLS) no Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) na Universidade de Stanford, a National Ignition Facility (NIF) no Lawrence Livermore National Laboratory, a máquina Z no Sandia National Laboratories, e o SPring-8 Angstrom Compact LAser de elétrons livres (SACLA) no Japão. “Estamos em contato com esses laboratórios e esperamos poder estar ativamente envolvidos na modelagem dos experimentos, "Tobias Dornheim revela. Os primeiros experimentos no Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) no European XFEL já estão sendo preparados.