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集体量子效应 当电子保持在一起时

许多天体,例如恒星或行星,都含有暴露于高温和高压下的物质,专家称其为温暖的致密物质(WDM)。尽管地球上的这种物质状态仅发生在地球的核心,但对WDM的研究对于诸如清洁能源,更硬的材料或对太阳能系统的更好理解等各种未来领域而言都是基础。在最近发表在《物理评论快报》上的一项研究中由德累斯顿-罗森多夫(HZDR)亥姆霍兹中心高级系统理解中心(CASUS)的物理学家托比亚斯·多恩海姆(Tobias Dornheim)博士和基尔大学(CAU)的校友领导的一个研究小组现在揭示,热致密物质的行为与假设的有很大不同,这就质疑了它的先前描述。

为了研究地球上温暖的稠密物质的外来状态,科学家在实验室中人工制造了这种物质。这可以通过强大的激光压缩来实现,例如在汉堡附近Schenefeld的欧洲XFEL上。“用激光束照射塑料或铝箔之类的样品,它会非常强烈地加热,然后被产生的冲击波压缩。所产生的光谱(即样品在这些条件下的行为)被记录下来。在探测器上,我们可以在10 -10 m(1埃)的范围内确定其材料特性,” HZDR的Jan Vorberger博士解释说,并补充道:“但是,不能直接测量重要参数,例如温度或密度。因此,理论模型 对于WDM实验的评估至关重要。”

系统反应越弱,越受干扰

托比亚斯·多恩海姆(Tobias Dornheim)开发了这种模拟模型,用于热致密物质的理论描述。从科学家到现在为止,计算一直完全基于“线性反应”的假设。这就是说,被激光照射的样品(所谓的靶标)越多,因此电子在这些材料中激发得越强烈,它们的反应就越强烈。但是,在他们的新出版物中,CASUS的Tobias Dornheim博士,HZDR的Jan Vorberger博士和CAU的Michael Bonitz博士现在表明,在强激发下,反应比预期的要弱。他们得出结论,考虑非线性效应至关重要。该结果对于解释温暖稠密物质的实验具有深远的意义。”

他们的结果基于使用量子统计路径积分蒙特卡罗方法(PIMC)进行的广泛计算机模拟。理查德·费曼(Richard Feynman)于1950年代奠定了该方法的基础。近年来,Dornheim博士成功地改进了算法,从而使计算更加高效,快捷。不过,对于上述研究,超级计算机在超过10,000天的CPU内核上计算了超过400天。计算是在HZDR的高性能集群Hypnos和Hemera,德累斯顿技术大学信息服务和高性能计算中心(ZIH)的Taurus集群,北德高性能计算协会的计算机上进行的。 (HLRN)并位于CAU的计算机中心。

WDM可能对能源行业起重要作用

对温暖致密物质的研究不仅对于了解木星和土星等行星的结构或我们的太阳系及其演化至关重要,而且还用于材料科学,例如超硬材料的开发。但是,通过为实现惯性聚变做出贡献,它可以在能源工业中发挥最重要的作用。惯性聚变是一种几乎无穷无尽的,具有未来潜力的清洁能源。

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