Molti oggetti celesti come stelle o pianeti contengono materia esposta a temperature e pressioni elevate:gli esperti la chiamano materia calda e densa (WDM). Sebbene questo stato della materia sulla terra si verifichi solo nel nucleo terrestre, la ricerca sul WDM è fondamentale per diversi ambiti futuri come l'energia pulita, materiali più duri o una migliore comprensione dei sistemi solari. In uno studio recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica , un team guidato dal fisico Dr. Tobias Dornheim del Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) presso l'Helmholtz Center Dresden-Rossendorf (HZDR) e alumnus dell'Università di Kiel (CAU), ora rivela che la materia densa calda si comporta in modo significativamente diverso da quanto ipotizzato, che mette in discussione la sua precedente descrizione.

Per studiare lo stato esotico della materia densa e calda sulla terra, gli scienziati lo creano artificialmente nei laboratori. Ciò può essere realizzato mediante compressione attraverso potenti laser, ad esempio presso l'XFEL europeo di Schenefeld vicino ad Amburgo. "Un campione, come un foglio di plastica o di alluminio, è illuminato con un raggio laser, si riscalda molto forte e viene quindi compresso da un'onda d'urto generata. Gli spettri risultanti, ovvero come si comporta il campione in queste condizioni, vengono registrati su rivelatori e in un ambito di 10 ^-10 m (1 angstrom) possiamo determinare le sue proprietà del materiale, " spiega il dott. Jan Vorberger di HZDR, aggiungendo:"Tuttavia, parametri importanti come la temperatura o la densità non possono essere misurati direttamente. Perciò, i modelli teorici sono di fondamentale importanza per la valutazione degli esperimenti WDM."

Il sistema reagisce più debole quanto più è perturbato

Tobias Dornheim sviluppa tali modelli di simulazione per la descrizione teorica della materia densa calda. Da quello che gli scienziati sapevano fino ad ora, i calcoli sono stati basati esclusivamente sull'ipotesi di una "reazione lineare". Questo significa, più i campioni, i cosiddetti bersagli, vengono colpiti dall'irradiazione laser, quindi più fortemente gli elettroni sono eccitati in questi materiali, più fortemente reagiscono. Nella loro nuova pubblicazione, però, Dott. Tobias Dornheim di CASUS, Il Dr. Jan Vorberger di HZDR e il Prof. Dr. Michael Bonitz di CAU mostrano ora che sotto forte eccitazione la reazione è più debole del previsto. Concludono che è fondamentale prendere in considerazione gli effetti non lineari. I risultati hanno implicazioni di vasta portata per l'interpretazione di esperimenti con materia calda e densa. "Con questo studio abbiamo gettato le basi per molti nuovi sviluppi nella teoria della materia calda e densa, "Stime di Dornheim, "e molte ricerche sulla risposta di densità elettronica non lineare del WDM saranno fatte entro i prossimi anni".

I loro risultati si basano su ampie simulazioni al computer che utilizzano il metodo Monte Carlo (PIMC) dell'integrale del percorso statistico quantistico. Richard Feynman ha posto le basi del metodo negli anni '50. Negli ultimi anni, Il Dr. Dornheim ha migliorato con successo gli algoritmi per rendere i calcoli più efficienti e veloci. Tuttavia, per lo studio citato, supercomputer calcolati su più di 10, 000 core CPU per più di 400 giorni. I calcoli sono stati effettuati presso i cluster ad alte prestazioni Hypnos e Hemera dell'HZDR, il cluster Taurus presso il Center for Information Services and High Performance Computing (ZIH) dell'Università tecnica di Dresda, computer presso la North German Association for High Performance Computing (HLRN) e presso il centro di calcolo della CAU.

Il WDM potrebbe svolgere un ruolo importante per il settore energetico

La ricerca sulla materia densa calda non è importante solo per comprendere la struttura di pianeti come Giove e Saturno o il nostro sistema solare e la sua evoluzione, ma trova applicazione anche nella scienza dei materiali, ad esempio nello sviluppo di materiali superduri. Però, potrebbe svolgere il ruolo più importante nell'industria energetica contribuendo alla realizzazione della fusione inerziale, una fonte di energia quasi inesauribile e pulita con un potenziale futuro.