Udnytter AI's magt til at forstå varmt tæt stof

Undersøgelsen af ​​varmt tæt stof hjælper os med at forstå, hvad der foregår inde i kæmpe planeter, brune dværge, og neutronstjerner. Imidlertid, denne tilstand, som udviser egenskaber ved både faste stoffer og plasmaer, forekommer ikke naturligt på Jorden. Det kan fremstilles kunstigt i laboratoriet ved hjælp af store røntgenforsøg, omend kun i lille skala og i korte perioder. Teoretiske og numeriske modeller er afgørende for at evaluere disse eksperimenter, som er umulige at fortolke uden formler, algoritmer, og simuleringer. Forskere ved Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu udviklet en metode til at evaluere sådanne eksperimenter mere effektivt og hurtigere end tidligere.

At beskrive den eksotiske tilstand af varmt tæt materiale udgør en ekstraordinær udfordring for forskere. For en, almindelige modeller for plasmafysik kan ikke håndtere de høje densiteter, der er udbredt i denne tilstand. Og for en anden, selv modeller for kondenseret materiale er ikke længere effektive under de enorme energier det medfører. Et team omkring Dr. Tobias Dornheim, Dr. Attila Cangi, Kushal Ramakrishna, og Maximilian Böhme fra CASUS i Görlitz arbejder på at modellere så komplekse systemer. De første resultater blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Teamet gik sammen med Dr. Jan Vorberger fra Institute of Radiation Physics ved HZDR og Prof. Shigenori Tanaka fra Kobe University i Japan for at udvikle en ny metode til at beregne egenskaberne af varmt tæt stof mere effektivt og hurtigere.

"Med vores algoritme, vi kan udføre meget nøjagtige beregninger af den lokale feltekorrektion, som beskriver elektronernes vekselvirkning i varmt tæt stof og dermed giver os mulighed for at låse dens egenskaber op. Vi kan bruge denne beregning til at modellere og fortolke resultater i fremtidige røntgenspredningsforsøg, men også som grundlag for andre simuleringsmetoder. Vores metode hjælper med at bestemme egenskaberne af varmt tæt stof, såsom temperatur og tæthed, men også dets ledningsevne for elektrisk strøm eller varme og mange andre egenskaber, "Forklarer Dornheim.

Mainframe computere og neurale netværk

"Motivationen bag vores metode er, at vi og mange andre forskere gerne vil vide præcis, hvordan elektroner opfører sig under påvirkning af små forstyrrelser, såsom effekten af ​​en røntgenstråle. Vi kan udlede en formel for dette, men det er for komplekst til at kunne løses med blyant og papir. Det er derfor, vi tidligere tyede til en vis forenkling, hvilken, imidlertid, undlod at vise nogle vigtige fysiske effekter. Vi har nu indført en korrektion, der fjerner netop denne fejl, "Dornheim fortsætter.

For at implementere det, de udførte beregningsmæssigt intense simuleringer over millioner af processortimer på mainframe -computere. Baseret på disse data og ved hjælp af analytiske statistiske metoder, forskerne uddannede et neuralt netværk til numerisk at forudsige elektronernes interaktion. Effektivitetsgevinsterne fra det nye værktøj afhænger af den særlige applikation. "Generelt, selvom, vi kan sige, at tidligere metoder krævede tusinder af processortimer for at opnå en høj grad af nøjagtighed, hvorimod vores metode tager kun sekunder, "siger Attila Cangi, der sluttede sig til CASUS fra Sandia National Laboratories i USA. "Så nu kan vi udføre simuleringen på en bærbar computer, mens vi før havde brug for en supercomputer."

Outlook:En ny standardkode til eksperimentevaluering

Indtil videre, den nye kode kan kun bruges til elektroner i metaller, for eksempel i forsøg med aluminium. Imidlertid, forskerne arbejder allerede på en kode, der kan anvendes mere generelt, og som skal levere resultater for en lang række materialer under meget forskellige betingelser i fremtiden. "Vi vil indarbejde vores fund i en ny kode, som vil være open source, i modsætning til den nuværende kode, som er licenseret og derfor vanskelig at tilpasse sig nye teoretiske indsigter, "forklarer Maximilian Böhme, en doktorand med CASUS, der samarbejder om dette med den britiske plasmafysiker Dave Chapman.

Sådanne røntgenforsøg for at studere varmt tæt stof er kun mulige på en håndfuld store laboratorier, herunder den europæiske XFEL nær Hamborg, Tyskland, men også den lineære sammenhængende lyskilde (LCLS) ved Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ved Stanford University, National Ignition Facility (NIF) på Lawrence Livermore National Laboratory, Z -maskinen på Sandia National Laboratories, og SPring-8 Angstrom Compact fri elektron LAser (SACLA) i Japan. "Vi er i kontakt med disse laboratorier og forventer at kunne være aktivt involveret i modelleringen af ​​eksperimenterne, "Tobias Dornheim afslører. De første forsøg på Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) på det europæiske XFEL er allerede ved at blive forberedt.