Elektroneadfærd under ekstreme forhold beskrevet for første gang

Forskere har modelleret elektronernes handlinger under ekstreme temperaturer og tætheder, som dem, der findes på planeter og stjerner.

Værket kunne give indsigt i stofets adfærd i fusionsforsøg, som en dag kan føre til en efterspurgt kilde til ren energi.

Elektroner er en elementær komponent i vores verden og bestemmer mange af egenskaberne af faste stoffer og væsker. De har også elektrisk strøm, uden hvilket vores højteknologiske miljø med smartphones, computere og endda pærer ville ikke være mulige.

På trods af deres allestedsnærværende, forskere har endnu ikke været i stand til nøjagtigt at beskrive adfærden hos et stort antal interagerende elektroner.

Dette gælder især ved ekstreme temperaturer og tætheder, såsom inde i planeter eller i stjerner, hvor elektronerne danner 'varmt tæt stof'. Forskere har masser af omtrentlige modeller at vælge imellem, men lidt anelse om deres nøjagtighed eller pålidelighed.

Nu, et forskerhold bestående af grupper fra Imperial College London, Kiel Universitet, og Los Alamos og Lawrence Livermore National Laboratories i USA, er det lykkedes at beskrive elektroner under disse ekstreme forhold ved hjælp af nøjagtige simuleringer.

Deres forskningsresultater, som løser et årtier gammelt problem inden for fysik, offentliggøres i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Fem år og tre countires

Professor Matthew Foulkes, fra Institut for Fysik på Imperial, sagde:"Det tog fem år og et team af forskere fra tre lande at udvikle de nye teknikker, der er nødvendige for at beskrive varmt tæt stof nøjagtigt.

"Nu, endelig, vi er i stand til at udføre nøjagtige og direkte simuleringer af planetarisk interiør; faste stoffer under intens laserbestråling; laseraktiverede katalysatorer; og andre varme tætte systemer.

"Dette er begyndelsen på et nyt felt inden for beregningsvidenskab."

Hvordan elektroner opfører sig i en 'stor skala' - for eksempel forholdet mellem elektrisk spænding, modstand og strøm - er ofte let at beskrive. På et mikroskopisk niveau, imidlertid, elektronerne i væsker og faste stoffer opfører sig forskelligt, ifølge kvantemekanikkens love.

Disse elektroner opfører sig som en kvantemekanisk 'gas', som kun kan forstås ved at løse de komplicerede matematiske ligninger i kvanteteorien.

Varm tæt stof

I fortiden, simuleringer var kun i stand til at beskrive elektrongassen ved meget lav temperatur. For nylig, imidlertid, der har været stigende interesse for stof under ekstreme forhold - ti tusinde gange varmere end stuetemperatur og op til hundrede gange tættere end konventionelle faste stoffer.

I naturen, dette varme tætte stof forekommer inde på planeter, herunder Jordens kerne. Det kan også oprettes eksperimentelt i et laboratorium, for eksempel ved målrettet optagelse af fast stof med en højintensitetslaser, eller med en gratis elektronlaser som den nye europæiske XFEL i Hamborg.

Varmt tæt stof er også relevant for forsøg med inertial indeslutningsfusion, hvor brændstofpiller sættes under ekstremt pres. Dette kan forårsage kædereaktioner, der kan give en næsten ubegrænset kilde til ren energi i fremtiden.

Tidligere teorier om adfærd med varmt tæt materiale brugte modeller baseret på tilnærmelser, der er vanskelige at verificere. Imidlertid, ved at bruge sofistikerede computersimuleringer i dette seneste værk, fysikerne er nu i stand til præcist at løse de komplekse ligninger, der beskriver elektrongassen.

Forbedring af 40-årige modeller

Teamet har opnået den første komplette og endelige beskrivelse af de termodynamiske egenskaber af interagerende elektroner i området varmt tæt stof. Professor Michael Bonitz, professor i teoretisk fysik og leder af forskerholdet i Kiel, sagde:"Disse resultater er de første nøjagtige data på dette område, og vil tage vores forståelse af stof ved ekstreme temperaturer til et nyt niveau. "

"Blandt andet de 40-årige eksisterende modeller kan nu gennemgås og forbedres for første gang. "

Teamet håber, at de omfattende datasæt og formler, der er opbygget i projektet, vil være vigtige for sammenligning med eksperimenter og vil give input til yderligere teorier, hjælpe andre forskere i deres forskning.