Работа могла обеспечить понимание поведения вопроса в экспериментах сплава, которые могут однажды привести к популярному источнику экологически чистой энергии.Электроны – элементарный компонент нашего мира и определяют многие свойства твердых частиц и жидкостей. Они также несут электрический ток, без которого наша высокотехнологичная среда со смартфонами, компьютерами и даже лампочками не была бы возможна.
Несмотря на их повсеместность, ученые еще не были в состоянии точно описать поведение больших количеств взаимодействующих электронов.Это особенно верно при экстремальных температурах и удельных весах, такой как в планетах или в звездах, где электроны формируют ‘теплое плотное вещество’.
У ученых есть много приблизительных моделей, чтобы выбрать из, но мало идеи их точности или надежности.Теперь, исследовательская группа, включающая группы из Имперского колледжа Лондона, Кильского Университета, Лос-Аламос и Ливерморская национальная лаборатория в США, преуспела в том, чтобы описать электроны при этих чрезвычайных условиях посредством точных моделирований.Их результаты исследования, которые решают старую десятилетиями проблему в физике, изданы в журнале Physical Review Letters.
Профессор Мэтью Фоулкс, от Отдела Физики в Imperial, сказал: «Потребовалось пять лет и команда ученых из трех стран, чтобы развивать новые методы, необходимые, чтобы описать теплое плотное вещество точно.«Теперь, наконец, мы имеем возможность выполнять точные и прямые моделирования планетарных интерьеров; твердые частицы под интенсивным лазерным озарением; активированные лазером катализаторы; и другие теплые плотные системы.«Это – начало новой области вычислительной науки».Как электроны ведут себя на ‘крупном масштабе’ – например, отношение между электрическим напряжением, сопротивлением и током – часто легко описать.
На микроскопическом уровне, однако, электроны в жидкостях и твердых частицах ведут себя по-другому, согласно законам квантовой механики.Эти электроны ведут себя как квант механический ‘газ’, который может только быть понят, решив сложные математические уравнения квантовой теории.
В прошлом моделирования только смогли описать электронный газ при очень низкой температуре. Недавно, однако, был растущий интерес к вопросу при чрезвычайных условиях – в десять тысяч раз теплее, чем комнатная температура и до ста раз более плотен, чем обычные твердые частицы.
По своей природе это теплое плотное вещество происходит в планетах, включая ядро Земли. Это может также быть создано экспериментально в лаборатории, например целенаправленной стрельбой твердого вещества с лазером высокой интенсивности, или с лазером на свободных электронах, таким как новый европейский XFEL в Гамбурге.Теплое плотное вещество также важно для экспериментов с инерционным сплавом заключения, где топливные шарики подвергнуты экстремальному давлению.
Это может вызвать цепные реакции, которые могли обеспечить фактически неограниченный источник экологически чистой энергии в будущем.Более ранние теории теплого поведения плотного вещества использовали модели на основе приближений, которые трудно проверить. Однако при помощи сложных компьютерных моделирований в этой последней работе, физики теперь в состоянии точно решить сложные уравнения, которые описывают электронный газ.
Команды достигли первого полного и заключительного описания термодинамических свойств взаимодействующих электронов в диапазоне теплого плотного вещества. Профессор Михаэль Бониц, преподаватель теоретической физики и глава Кильской исследовательской группы, сказал: «Эти результаты – первые точные данные в этой области и возьмут наше понимание вопроса при экстремальных температурах к новому уровню».
«Среди других вещей 40-летние существующие модели могут теперь быть рассмотрены и улучшены впервые».Команды надеются, обширные наборы данных и формулы, созданные в проекте, будут важны для сравнения с экспериментами и обеспечат вход в дальнейшие теории, помогая другим ученым в их исследовании.