|
Как лучше понять экзотическое состояние вещества
|
|
|
|
Его можно обнаружить внутри газовых гигантов, таких как Юпитер, и оно на короткое время образуется при ударах метеоритов или в экспериментах по лазерному синтезу: теплая плотная материя. Это экзотическое состояние вещества сочетает в себе свойства твердой, жидкой и газообразной фаз. До сих пор точное моделирование теплой плотной материи считалось серьезной проблемой.
|
|
|
|
Международная команда, возглавляемая исследователями из Центра углубленного изучения систем (CASUS) Дрезденского центра Гельмгольца в Россендорфе (HZDR) в Германии и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), преуспела в описании этого состояния материи гораздо точнее, чем раньше, используя новый вычислительный метод. Этот подход может продвинуть лазерный синтез и помочь в синтезе новых высокотехнологичных материалов. Команда ученых представила свои результаты в журнале Nature Communications.
|
|
|
|
Теплое плотное вещество (WDM) характеризуется температурой в диапазоне от нескольких тысяч до сотен миллионов Кельвинов и плотностью, которая иногда превышает плотность твердых тел.
|
|
|
|
"Такие условия можно найти, например, внутри газовых планет, в коричневых карликах или в атмосферах белых карликов", - объясняет Тобиас Дорнхайм, младший руководитель группы в CASUS и первый автор публикации. — На Земле он может быть создан во время падения метеорита или, например, в ходе экспериментов с мощными лазерами".
|
|
|
|
|
|
|
WDM представляет особый интерес для исследований материалов. Например, крошечные алмазы могут быть получены путем прессования и нагрева пластмасс. WDM также играет центральную роль в исследованиях термоядерного синтеза, особенно в термоядерном синтезе с инерционным удержанием, который проводится с помощью лазера на Национальном заводе LLNL по зажиганию (NIF). Здесь капсула, содержащая термоядерное топливо — как правило, изотопы водорода дейтерий и тритий — нагревается и сжимается с такой интенсивностью при лазерной бомбардировке, что атомные ядра сливаются, высвобождая энергию.
|
|
|
|
"Когда термоядерную капсулу обстреливают лазерами, водород переходит в состояние теплой плотной материи", - объясняет Тило Деппнер, ученый из LLNL, сыгравший ключевую роль в многочисленных экспериментах по термоядерному синтезу в NIF. "Чтобы добиться увеличения энергии в экспериментах по термоядерному синтезу, нам необходимо как можно лучше понимать состояние WDM".
|
|
Решение проблемы знака
|
|
|
|
Компьютерное моделирование может помочь описать WDM. Однако традиционные методы моделирования имеют свои ограничения.
|
|
|
|
"Проблема в том, что WDM является промежуточным состоянием — ни твердой, ни жидкой, ни полностью ионизированной плазмой", - объясняет Максимилиан Беме, который в 2024 году защитил докторскую диссертацию в CASUS, а затем продолжил свою научную карьеру в качестве научного сотрудника LLNL.
|
|
|
|
"Большинство существующих моделей предполагают ряд приближений и поэтому часто не позволяют достичь необходимой точности", - говорит Беме.
|
|
|
|
Точным методом было бы моделирование методом Монте-Карло с интегральным распределением по траекториям (PIMC). В принципе, это позволяет получить полное квантово-механическое описание WDM, но обычно не удается из-за так называемой проблемы знака: чтобы рассчитать свойства материала без приближений, необходимо сложить соответствующие вклады всех электронов в материале.
|
|
|
|
Однако, хотя электроны заряжены отрицательно, волновая функция, используемая для описания их квантового состояния, колеблется между положительным и отрицательным значениями. Эти противоположные вклады в моделирование PIMC могут нейтрализовать друг друга. С каждой добавленной частицей в системе количество комбинаций этих "зависящих от знака" вкладов, необходимых для точного расчета, увеличивается в геометрической прогрессии. Поэтому даже самые мощные суперкомпьютеры в мире часто могут выполнять моделирование PIMC только для нескольких частиц.
|
|
|
|
Вот тут-то и вмешался Дорнхайм со своей командой.
|
|
|
|
"Мы ввели статистику воображаемых частиц, которые не являются физически реальными, но помогают решить проблему знака", - объясняет Дорнхайм. "Этот вычислительный трюк позволил нам впервые применить точный метод PIMC к реальному материалу, в данном случае к бериллию".
|
|
|
|
Моделирование соответствует экспериментам
|
|
|
|
Именно здесь в действие вступают эксперименты в LLNL под руководством Дэппнера. В ходе этих экспериментов бериллиевые капсулы были сжаты в 10 раз сверх плотности твердого тела и нагреты с помощью 192 лазерных лучей в NIF. Одновременно с этим были использованы мощные рентгеновские лучи для исследования крошечного образца. Рассеянные рентгеновские лучи показали, насколько плотным и горячим стал материал во время лазерного сжатия.
|
|
|
|
"В прошлом для анализа данных о рассеянии рентгеновских лучей использовались относительно простые модели", - сказал Дорнхайм. "С помощью нашего нового метода мы теперь можем определять важные параметры, такие как плотность и температура, по сигналу рассеяния без аппроксимации".
|
|
|
|
Фактически, анализ показал, что плотность образца была ниже, чем предполагалось с помощью ранее использовавшихся моделей.
|
|
|
|
"Наши результаты имеют решающее значение для будущего моделирования процесса термоядерного синтеза водорода", - подчеркивает Ян Форбергер из Института радиационной физики HZDR. "Предыдущие модели сжатия термоядерной капсулы могли быть основаны на неверных предположениях. Наш метод предоставляет точный диагностический инструмент для более точного анализа процессов".
|
|
|
|
В дополнение к диагностике, новый метод также может быть использован для получения уравнений состояния, то есть взаимосвязей между давлением, температурой и энергией. Такие данные важны для разработки термоядерных электростанций, а также для понимания экзопланет.
|
|
В NIF запланирован дополнительный эксперимент
|
|
|
|
Осенью 2025 года команда планирует провести новую серию экспериментов в NIF.
|
|
|
|
"Мы хотим еще больше усовершенствовать диагностику и выяснить, насколько чувствителен наш метод к небольшим изменениям", - объясняет Дорнхайм. В будущем расчеты должны не только объяснить существующие данные, но и активно помочь в планировании и оптимизации новых экспериментов — например, для разработки более эффективных термоядерных капсул.
|
|
|
|
Источник
|
