Forskare har modellerat elektronernas handlingar under extrema temperaturer och tätheter, som de som finns på planeter och stjärnor.

Arbetet kan ge insikter om materiens beteende i fusionsexperiment, som en dag kan leda till en eftertraktad källa till ren energi.

Elektroner är en elementär komponent i vår värld och bestämmer många av fasta och flytande egenskaper. De bär också elektrisk ström, utan vilken vår högteknologiska miljö med smartphones, datorer och till och med glödlampor skulle inte vara möjliga.

Trots deras allestädes närvarande, forskare har ännu inte kunnat noggrant beskriva beteendet hos ett stort antal interagerande elektroner.

Detta gäller särskilt vid extrema temperaturer och densiteter, som inuti planeter eller i stjärnor, där elektronerna bildar "varm tät materia". Forskare har gott om ungefärliga modeller att välja mellan, men liten aning om deras noggrannhet eller tillförlitlighet.

Nu, ett forskargrupp bestående av grupper från Imperial College London, Kiel universitet, och Los Alamos och Lawrence Livermore National Laboratories i USA, har lyckats beskriva elektroner under dessa extrema förhållanden med hjälp av exakta simuleringar.

Deras forskningsresultat, som löser ett decennier gammalt problem inom fysiken, publiceras i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Fem år och tre landsting

Professor Matthew Foulkes, från Institutionen för fysik vid Imperial, sade:"Det tog fem år och ett team av forskare från tre länder att utveckla de nya teknikerna som är nödvändiga för att beskriva varm tät materia exakt.

"Nu, äntligen, vi har möjlighet att genomföra exakta och direkta simuleringar av planetariska interiörer; fasta ämnen under intensiv laserbestrålning; laseraktiverade katalysatorer; och andra varma täta system.

"Detta är början på ett nytt område inom beräkningsvetenskap."

Hur elektroner beter sig i stor skala - till exempel sambandet mellan elektrisk spänning, motstånd och ström - är ofta lätt att beskriva. På en mikroskopisk nivå, dock, elektronerna i vätskor och fasta ämnen beter sig annorlunda, enligt kvantmekanikens lagar.

Dessa elektroner beter sig som en kvantmekanisk 'gas', som bara kan förstås genom att lösa kvantteorins komplicerade matematiska ekvationer.

Varm tät materia

Förr, simuleringar kunde bara beskriva elektrongasen vid mycket låg temperatur. Nyligen, dock, det har ökat intresset för materia under extrema förhållanden - tiotusen gånger varmare än rumstemperatur och upp till hundra gånger tätare än konventionella fasta ämnen.

I naturen, denna varma täta materia förekommer inuti planeter, inklusive jordens kärna. Det kan också skapas experimentellt i ett laboratorium, till exempel genom riktad fotografering av fast material med en laser med hög intensitet, eller med en fri elektronlaser som den nya europeiska XFEL i Hamburg.

Varm tät materia är också relevant för experiment med tröghetsfusion, där bränslepellets sätts under extremt tryck. Detta kan orsaka kedjereaktioner som kan ge en praktiskt taget obegränsad källa till ren energi i framtiden.

Tidigare teorier om beteendet för varm tät materia använde modeller baserade på approximationer som är svåra att verifiera. Dock, genom att använda sofistikerade datasimuleringar i detta senaste arbete, fysikerna kan nu exakt lösa de komplexa ekvationerna som beskriver elektrongasen.

Förbättra 40-åriga modeller

Teamet har uppnått den första fullständiga och slutliga beskrivningen av de termodynamiska egenskaperna hos interagerande elektroner i intervallet med varm tät materia. Professor Michael Bonitz, professor i teoretisk fysik och chef för forskargruppen i Kiel, sa:"Dessa resultat är de första exakta uppgifterna inom detta område, och kommer att ta vår förståelse av materia vid extrema temperaturer till en ny nivå."

"Bland annat, de 40-åriga befintliga modellerna kan nu ses över och förbättras för första gången. "

Teamet hoppas att de omfattande datamängderna och formlerna som byggts upp i projektet kommer att vara viktiga för jämförelse med experiment och kommer att ge input till ytterligare teorier, hjälpa andra forskare i sin forskning.