I ricercatori hanno modellato le azioni degli elettroni a temperature e densità estreme, come quelli che si trovano all'interno di pianeti e stelle.

Il lavoro potrebbe fornire approfondimenti sul comportamento della materia negli esperimenti di fusione, che un giorno potrebbe portare a una ricercata fonte di energia pulita.

Gli elettroni sono una componente elementare del nostro mondo e determinano molte delle proprietà di solidi e liquidi. Trasportano anche corrente elettrica, senza il quale il nostro ambiente high-tech con gli smartphone, computer e persino lampadine non sarebbero possibili.

Nonostante la loro ubiquità, gli scienziati non sono ancora stati in grado di descrivere con precisione il comportamento di un gran numero di elettroni interagenti.

Ciò è particolarmente vero a temperature e densità estreme, come all'interno dei pianeti o nelle stelle, dove gli elettroni formano "materia densa e calda". Gli scienziati hanno molti modelli approssimativi tra cui scegliere, ma poca idea della loro accuratezza o affidabilità.

Ora, un gruppo di ricerca composto da gruppi dell'Imperial College di Londra, Università di Kiel, e Los Alamos e i Lawrence Livermore National Laboratories negli Stati Uniti, è riuscito a descrivere gli elettroni in queste condizioni estreme mediante accurate simulazioni.

I risultati della loro ricerca, che risolvono un problema di fisica vecchio di decenni, sono pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Cinque anni e tre paesi

Professor Matthew Foulkes, dal Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha dichiarato:"Ci sono voluti cinque anni e un team di scienziati di tre paesi per sviluppare le nuove tecniche necessarie per descrivere accuratamente la materia calda e densa.

"Ora, alla fine, siamo in grado di effettuare simulazioni accurate e dirette degli interni dei pianeti; solidi sottoposti a intensa irradiazione laser; catalizzatori attivati ​​da laser; e altri sistemi densi caldi.

"Questo è l'inizio di un nuovo campo della scienza computazionale".

Come si comportano gli elettroni su "grande scala" - per esempio la relazione tra tensione elettrica, resistenza e corrente - è spesso facile da descrivere. A livello microscopico, però, gli elettroni nei liquidi e nei solidi si comportano in modo diverso, secondo le leggi della meccanica quantistica.

Questi elettroni si comportano come un "gas" della meccanica quantistica, che può essere compreso solo risolvendo le complicate equazioni matematiche della teoria quantistica.

Materia densa calda

Nel passato, le simulazioni sono state in grado di descrivere il gas di elettroni solo a temperature molto basse. Recentemente, però, c'è stato un crescente interesse per la materia in condizioni estreme:diecimila volte più calda della temperatura ambiente e fino a cento volte più densa dei solidi convenzionali.

In natura, questa materia densa e calda si trova all'interno dei pianeti, compreso il nucleo terrestre. Può anche essere creato sperimentalmente in laboratorio, ad esempio sparando miratamente su materia solida con un laser ad alta intensità, o con un laser a elettroni liberi come il nuovo XFEL europeo di Amburgo.

La materia densa calda è rilevante anche per gli esperimenti con la fusione a confinamento inerziale, dove i pellet di combustibile vengono sottoposti a pressioni estreme. Ciò può causare reazioni a catena che potrebbero fornire una fonte virtualmente illimitata di energia pulita in futuro.

Le teorie precedenti sul comportamento della materia calda e densa utilizzavano modelli basati su approssimazioni difficili da verificare. Però, utilizzando sofisticate simulazioni al computer in questo ultimo lavoro, i fisici sono ora in grado di risolvere con precisione le complesse equazioni che descrivono il gas di elettroni.

Migliorare i modelli di 40 anni

Il team ha ottenuto la prima descrizione completa e definitiva delle proprietà termodinamiche degli elettroni interagenti nell'intervallo della materia densa calda. Professor Michael Bonitz, professore di fisica teorica e capo del gruppo di ricerca di Kiel, ha dichiarato:"Questi risultati sono i primi dati esatti in questo settore, e porterà la nostra comprensione della materia a temperature estreme a un nuovo livello".

"Tra le altre cose, i modelli esistenti di 40 anni possono ora essere rivisti e migliorati per la prima volta."

Il team spera che gli ampi set di dati e le formule sviluppate nel progetto saranno importanti per il confronto con gli esperimenti e forniranno input per ulteriori teorie, aiutare altri scienziati nella loro ricerca.