Nye simuleringsmetoder til at visualisere kvanteeffekter i superfluid fermioner

Hvad der præcist sker inde i neutronstjerner - sidste fase af en kæmpestjerne - er genstand for spekulationer. Med hensyn til fysik, neutronstjernernes indre, kolde atomare gasser og nukleare systemer har alle én ting til fælles:de er gasformige systemer, der består af meget interaktive, superflydende fermioner. Forskere fodrede supercomputeren Piz Daint med en ny simuleringsmetode, og resultaterne giver endelig indsigt i ukendte processer i sådanne systemer.

Neutronstjerner, kolde atomare gasser og nukleare systemer er alle gasformige systemer, der består af meget interaktive, superflydende fermioner, dvs. systemer, hvis stof består af partikler med halvt heltals spin (intrinsisk vinkelmomentum). Kategorien af ​​fermioner omfatter elektroner, protoner og neutroner. Ved meget lave temperaturer, disse systemer beskrives som superfluid, hvilket betyder, at partiklerne i dem ikke genererer nogen indre friktion overhovedet og besidder egenskaben af ​​næsten perfekt varmeledningsevne.

Disse superflydende Fermi-gasser opfører sig ikke i overensstemmelse med den klassiske fysiks love, men kan snarere beskrives bedre ved hjælp af kvantemekanikkens love. Gabriel Wlazłowski, en assisterende professor ved Warszawa University of Technology og University of Washington i Seattle, og hans team har for nylig udviklet en ny metode baseret på tæthedsfunktionel teori (DFT). Med hjælp fra supercomputeren Piz Daint, de sigter mod at skabe en meget præcis beskrivelse af disse superfluid fermionsystemer og deres dynamik. Med andre ord, de vil beskrive, hvordan hvirvler dannes og henfalder i denne "atomsky". Resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Svarende til en folkedansfest

I superflydende Fermi-gasser, individuelle fermioner og korrelerede fermioner forekommer ved siden af ​​hinanden. Fra korrelationer mellem partikler med modsatte spin, materialers superledende egenskaber fremkommer. Korrelerede fermioner, som elektroner i superledere, eksisterer i par som et kondensat og kaldes Cooper-par. Hvert par kan bevæge sig gennem systemet uden energitab. Imidlertid, i mange år er det blevet undersøgt, hvad der sker i spin-ubalancerede sager, fordi ikke alle partikler kan finde en partner med modsat spin for at danne Cooper-parret. "Situationen ligner en folkedansfest, hvor antallet af mænd og kvinder er ubalancerede, nogen ville være frustreret, da han/hun ikke kan danne et par, " siger Wlazłowski. Hvad gør uparrede atomer? Det er præcis, hvad forskerne har studeret.

En nøjagtig beskrivelse af superfluid Fermi-gasser, især af spin-ubalancerede systemer, har tidligere været meget vanskelig. Spinubalance opstår, når et system påvirkes af et magnetfelt, siger Gabriel Wlazłowski. Målet for forskeren er nu at anvende DFT-formalisme på neutronstjerner såvel som på magnetarer - neutronstjerner med et stærkt magnetfelt - til at forudsige, hvad der sker indeni. "Klart, der er ingen måde at undersøge det indre af stjerner eksplicit. Dermed, vi er nødt til at stole på simuleringer, som vi har brug for pålidelige værktøjer til, " siger Wlazłowski. Derfor, forskere søgte efter et jordbaseret system, der deler mange ligheder med målsystemet. "Det viser sig, at stærkt interagerende ultrakolde atomare gasser er meget lig neutronstof."

For deres numeriske eksperimenter, forskerne brugte den mest komplette kvanteteoretiske beskrivelse, der i øjeblikket er tilgængelig for mange-kropssystemer til at beskrive denne type systemer. Dette gjorde dem i stand til at producere en mere dybdegående DFT-teori for superfluidsystemer. De kombinerede det også med en speciel tidsafhængig superfluid lokal tæthedstilnærmelse for en enheds spin-ubalanceret Fermi-gas. "Uden tilnærmelse, superledende DFT vil føre til integro-differentionalligninger, der er uden for rækkevidde, selv for exascale supercomputere, " siger Wlazłowski. Med deres nuværende undersøgelse, forskerne er nu i stand til at påvise, at denne tilnærmelse fungerer meget godt i de betragtede systemer.

Korrelation mellem simulering og eksperiment

"Ved at skabe en visualisering af beregningerne og sammenligne disse billeder med fotos fra eksperimenter, vi var i stand til at observere disse kvantemekaniske systemer direkte, " siger Wlazłowski. "Sammenligning af de teoretiske og eksperimentelle resultater gav fremragende korrelationer." Dette gjorde det muligt for forskerne at fremlægge bevis for, at deres nye metode til at beregne adfærden af ​​sådanne systemer virker. Det næste trin vil være, at de anvender metoden på processer som aldrig vil være synlig med det blotte øje, såsom dem inde i neutronstjerner.

Et andet vigtigt fund kom fra forskernes observationer af tre forskellige vortex-henfaldsmønstre i supervæskerne. Ifølge forskerne, de forskellige henfaldsmønstre (se figur) afhænger af spinpolariseringen af ​​systemets partikler. De siger også, at polariseringen er forårsaget af sugeeffekten af ​​de uparrede partikler i den superflydende gas. Med andre ord:naturen forsøger at indsamle uparrede partikler i regioner, hvor de ikke hindrer flowet. Kerner af kvantiserede hvirvler er sådanne steder, og polarisering af de forskellige hvirvler skulle så forhindre dem i at binde sig igen, eller det forudser forskerne. De antager derfor, at polarisationseffekter har en betydelig indflydelse på kvantefænomener og vil føre til nye, endnu ikke-opdagede områder af fysikken. "Imidlertid, bare at vise, at vi gengiver nogle data er ikke nok – kan vi forudsige noget helt nyt?", spurgte Wlazłowski sig selv. For ham, den næste vigtige barriere at overvinde vil være at finde ud af, om metoden har forudsigelseskraft.

Denne form for meget komplekse problem kræver enorm computerkraft. Teknisk set, forskerne løser hundredtusindvis af tidsafhængige ikke-lineært koblede 3D Partial Differential Equations (PDE'er). Af denne grund, Forfatterne af undersøgelsen indsendte en anmodning om beregningstid til Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) og fik adgang til at bruge Piz Daint på CSCS, fordi, ifølge forfatterne, i Europa kan kun Piz Daint håndtere denne type beregninger.