Muchos objetos celestes, como estrellas o planetas, contienen materia que está expuesta a altas temperaturas y presiones; los expertos lo llaman materia densa cálida (WDM). Aunque este estado de la materia en la tierra solo ocurre en el núcleo de la tierra, La investigación sobre WDM es fundamental para diversas áreas futuras como la energía limpia, materiales más duros o una mejor comprensión de los sistemas solares. En un estudio publicado recientemente en Cartas de revisión física , un equipo dirigido por el físico Dr. Tobias Dornheim del Centro de Comprensión de Sistemas Avanzados (CASUS) en el Centro Helmholtz de Dresden-Rossendorf (HZDR) y ex alumno de la Universidad de Kiel (CAU), ahora revela que la materia densa cálida se comporta de manera significativamente diferente de lo que se supone, lo que pone en duda su descripción anterior.

Para estudiar el estado exótico de la materia cálida y densa en la tierra, los científicos lo crean artificialmente en laboratorios. Esto se puede lograr mediante la compresión a través de potentes láseres, por ejemplo, en el XFEL europeo en Schenefeld, cerca de Hamburgo. "Una muestra, como un plástico o papel de aluminio, se ilumina con un rayo láser, se calienta muy fuertemente y luego es comprimido por una onda de choque generada. Los espectros resultantes, es decir, cómo se comporta la muestra en estas condiciones, se registran en detectores y en un alcance de 10 ^-10 m (1 angstrom) podemos determinar sus propiedades materiales, "explica el Dr. Jan Vorberger de HZDR, agregando:"Sin embargo, parámetros importantes como la temperatura o la densidad no se pueden medir directamente. Por lo tanto, los modelos teóricos son de vital importancia para la evaluación de los experimentos de WDM ".

El sistema reacciona más débil cuanto más se perturba

Tobias Dornheim desarrolla estos modelos de simulación para la descripción teórica de la materia densa cálida. Por lo que los científicos sabían hasta ahora, los cálculos se han basado exclusivamente en el supuesto de una "reacción lineal". Eso significa, cuanto más las muestras, los llamados objetivos, sean alcanzados por la irradiación láser, por lo tanto, cuanto más fuertemente se excitan los electrones en estos materiales, más fuertemente reaccionan. En su nueva publicación, sin embargo, Dr. Tobias Dornheim de CASUS, El Dr. Jan Vorberger de HZDR y el Prof. Dr. Michael Bonitz de CAU ahora muestran que bajo una fuerte excitación la reacción es más débil de lo esperado. Concluyen que es fundamental tener en cuenta los efectos no lineales. Los resultados tienen implicaciones de gran alcance para la interpretación de experimentos con materia densa cálida. "Con este estudio hemos sentado las bases para muchos desarrollos nuevos en la teoría de la materia densa cálida, "Estimaciones de Dornheim, "y en los próximos años se realizarán muchas investigaciones sobre la respuesta de densidad electrónica no lineal de WDM".

Sus resultados se basan en extensas simulaciones por computadora que utilizan el método de Monte Carlo de ruta integral estadística cuántica (PIMC). Richard Feynman sentó las bases del método en la década de 1950. En años recientes, El Dr. Dornheim ha mejorado con éxito los algoritmos para hacer los cálculos más eficientes y rápidos. Sin embargo, para el estudio mencionado, supercomputadoras calculadas en más de 10, 000 núcleos de CPU durante más de 400 días. Los cálculos se realizaron en los clústeres de alto rendimiento Hypnos y Hemera del HZDR, el clúster Taurus en el Centro de Servicios de Información y Computación de Alto Rendimiento (ZIH) de la Universidad Técnica de Dresde, computadoras en la Asociación de Computación de Alto Rendimiento de Alemania del Norte (HLRN) y en el centro de computación de la CAU.

WDM podría jugar un papel importante para la industria energética

La investigación sobre materia densa cálida no solo es importante para comprender la estructura de planetas como Júpiter y Saturno o nuestro sistema solar y su evolución, pero también se aplica en la ciencia de los materiales, por ejemplo, en el desarrollo de materiales superduros. Sin embargo, podría desempeñar el papel más importante en la industria energética al contribuir a la realización de la fusión inercial, una fuente de energía limpia y casi inagotable con potencial futuro.