Los investigadores han modelado las acciones de los electrones bajo temperaturas y densidades extremas, como los que se encuentran dentro de los planetas y las estrellas.

El trabajo podría proporcionar información sobre el comportamiento de la materia en experimentos de fusión, que algún día puede conducir a una fuente muy solicitada de energía limpia.

Los electrones son un componente elemental de nuestro mundo y determinan muchas de las propiedades de sólidos y líquidos. También llevan corriente eléctrica, sin el cual nuestro entorno de alta tecnología con teléfonos inteligentes, las computadoras e incluso las bombillas no serían posibles.

A pesar de su ubicuidad, los científicos aún no han podido describir con precisión el comportamiento de un gran número de electrones en interacción.

Esto es especialmente cierto a temperaturas y densidades extremas, como planetas interiores o estrellas, donde los electrones forman "materia densa y cálida". Los científicos tienen muchos modelos aproximados para elegir, pero poca idea de su precisión o fiabilidad.

Ahora, un equipo de investigación formado por grupos del Imperial College London, Universidad de Kiel, y Los Alamos y los Laboratorios Nacionales Lawrence Livermore en los EE. UU., ha logrado describir electrones en estas condiciones extremas mediante simulaciones precisas.

Sus hallazgos de investigación, que resuelven un problema de física de décadas, se publican en la revista Cartas de revisión física .

Cinco años y tres países

Profesor Matthew Foulkes, del Departamento de Física de Imperial, dijo:"Se necesitaron cinco años y un equipo de científicos de tres países para desarrollar las nuevas técnicas necesarias para describir la materia densa cálida con precisión".

"Ahora, Al final, estamos en condiciones de realizar simulaciones precisas y directas de los interiores planetarios; sólidos bajo intensa irradiación láser; catalizadores activados por láser; y otros sistemas cálidos y densos.

"Este es el comienzo de un nuevo campo de la ciencia computacional".

Cómo se comportan los electrones a 'gran escala' - por ejemplo, la relación entre voltaje eléctrico, resistencia y corriente - a menudo es fácil de describir. A nivel microscópico, sin embargo, los electrones en líquidos y sólidos se comportan de manera diferente, según las leyes de la mecánica cuántica.

Estos electrones se comportan como un 'gas' mecánico cuántico, que solo puede entenderse resolviendo las complicadas ecuaciones matemáticas de la teoría cuántica.

Materia densa caliente

En el pasado, las simulaciones solo pudieron describir el gas de electrones a muy baja temperatura. Recientemente, sin embargo, Ha habido un creciente interés en la materia en condiciones extremas:diez mil veces más cálida que la temperatura ambiente y hasta cien veces más densa que los sólidos convencionales.

En naturaleza, esta materia densa y cálida ocurre dentro de los planetas, incluido el núcleo de la Tierra. También se puede crear experimentalmente en un laboratorio, por ejemplo, mediante el disparo selectivo de materia sólida con un láser de alta intensidad, o con un láser de electrones libres como el nuevo XFEL europeo en Hamburgo.

La materia densa caliente también es relevante para experimentos con fusión por confinamiento inercial, donde los pellets de combustible se someten a una presión extrema. Esto puede provocar reacciones en cadena que podrían proporcionar una fuente prácticamente ilimitada de energía limpia en el futuro.

Las teorías anteriores sobre el comportamiento de la materia densa cálida usaban modelos basados ​​en aproximaciones que son difíciles de verificar. Sin embargo, mediante el uso de sofisticadas simulaciones por computadora en este último trabajo, los físicos ahora pueden resolver con precisión las complejas ecuaciones que describen el gas de electrones.

Mejorando modelos de 40 años

El equipo ha logrado la primera descripción completa y final de las propiedades termodinámicas de los electrones que interactúan en el rango de la materia densa cálida. Profesor Michael Bonitz, profesor de física teórica y jefe del equipo de investigación de Kiel, dijo:"Estos resultados son los primeros datos exactos en esta área, y llevará nuestra comprensión de la materia a temperaturas extremas a un nuevo nivel ".

"Entre otras cosas, los modelos existentes de 40 años ahora se pueden revisar y mejorar por primera vez ".

El equipo espera que los extensos conjuntos de datos y fórmulas construidos en el proyecto sean importantes para la comparación con los experimentos y proporcionen información para futuras teorías. ayudando a otros científicos en su investigación.