Vad som exakt händer inuti neutronstjärnor – det sista stadiet av en jättestjärna – är föremål för spekulationer. När det gäller fysik, neutronstjärnornas inre, kalla atomgaser och kärnkraftssystem har alla en sak gemensamt:de är gasformiga system som består av mycket interaktiva, superflytande fermioner. Forskare matade superdatorn Piz Daint med en ny simuleringsmetod, och resultaten ger äntligen insikt i okända processer för sådana system.

Neutronstjärnor, kalla atomgaser och kärnkraftssystem är alla gasformiga system som består av mycket interaktiva, superflytande fermioner, d.v.s. system vars materia består av partiklar med halvheltalsspinn (inboende rörelsemängd). Kategorin fermioner inkluderar elektroner, protoner och neutroner. Vid mycket låga temperaturer, dessa system beskrivs som superfluid, vilket innebär att partiklarna i dem inte genererar någon som helst inre friktion och har egenskapen nästan perfekt värmeledningsförmåga.

Dessa superfluid Fermi-gaser beter sig inte enligt den klassiska fysikens lagar, utan kan snarare beskrivas bättre med hjälp av kvantmekanikens lagar. Gabriel Wlazłowski, en biträdande professor vid Warszawas tekniska universitet och University of Washington i Seattle, och hans team har nyligen utvecklat en ny metod baserad på densitetsfunktionsteori (DFT). Med hjälp av superdatorn Piz Daint, de syftar till att skapa en mycket exakt beskrivning av dessa superfluid fermionsystem och deras dynamik. Med andra ord, de kommer att beskriva hur virvlar bildas och förfaller i detta "atommoln". Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Liknar en folkdansfest

I superflytande Fermi-gaser, individuella fermioner och korrelerade fermioner förekommer vid sidan av varandra. Från korrelationer mellan partiklar med motsatta snurr, supraledande egenskaper hos material framträder. Korrelerade fermioner, som elektroner i supraledare, existerar i par som ett kondensat och kallas Cooper-par. Varje par kan röra sig genom systemet utan energiförlust. Dock, i många år har det undersökts vad som händer i spin-obalanserade fall, eftersom inte varje partikel kan hitta en partner med motsatt spinn för att bilda Cooper-paret. "Situationen liknar en folkdansfest, där antalet män och kvinnor är obalanserade, någon skulle bli frustrerad eftersom han/hon inte kan bilda ett par, " säger Wlazłowski. Vad gör oparade atomer? Det är precis vad forskarna har studerat.

En korrekt beskrivning av superfluid Fermi-gaser, speciellt av spin-obalanserade system, har tidigare varit mycket svårt. Spinobalans uppstår när ett system påverkas av ett magnetfält, säger Gabriel Wlazłowski. Målet för forskaren är nu att tillämpa DFT-formalism på neutronstjärnor såväl som på magnetarer – neutronstjärnor med ett starkt magnetfält – för att förutsäga vad som händer inuti. "Klart, det finns inget sätt att explicit undersöka stjärnors inre. Således, vi måste lita på simuleringar, som vi behöver pålitliga verktyg för, " säger Wlazłowski. Därför forskare letade efter ett jordbaserat system som delar många likheter med målsystemet. "Det visar sig att starkt interagerande ultrakalla atomgaser är mycket lika neutronmateria."

För sina numeriska experiment, forskarna använde den mest kompletta kvantteoretiska beskrivningen som finns tillgänglig för många kroppssystem för att beskriva denna typ av system. Detta gjorde det möjligt för dem att producera en mer djupgående DFT-teori för superfluidsystem. De kombinerade det också med en speciell tidsberoende superfluid lokal densitetsapproximation för en enhetlig spin-obalanserad Fermi-gas. "Utan approximation, supraledande DFT kommer att leda till integro-differentiella ekvationer som är utom räckhåll även för exascale superdatorer, " säger Wlazłowski. Med deras nuvarande studie, forskarna kan nu visa att denna approximation fungerar mycket bra i de övervägda systemen.

Korrelation mellan simulering och experiment

"Genom att skapa en visualisering av beräkningarna och jämföra dessa bilder med foton från experiment, vi kunde observera dessa kvantmekaniska system direkt, ", säger Wlazłowski. "Jämförelse av de teoretiska och experimentella resultaten gav utmärkta korrelationer." Detta gjorde det möjligt för forskarna att bevisa att deras nya metod för att beräkna beteendet hos sådana system fungerar. Nästa steg blir för dem att tillämpa metoden på processer som aldrig kommer att synas för blotta ögat, som de inuti neutronstjärnor.

Ett annat viktigt fynd kom från forskarnas observationer av tre olika virvelsönderfallsmönster i supervätskorna. Enligt forskarna, de olika sönderfallsmönstren (se figur) beror på spinnpolariseringen av systemets partiklar. De säger också att polariseringen orsakas av sugeffekten av de oparade partiklarna i superfluidgasen. Med andra ord:naturen försöker samla oparade partiklar i regioner, där de inte hindrar flödet. Kärnor av kvantiserade virvlar är sådana platser, och polarisering av de olika virvlarna bör då hindra dem från att binda igen, eller så förutspår forskarna. De antar därför att polarisationseffekter har en betydande inverkan på kvantfenomen och kommer att leda till nya, områden inom fysiken som ännu inte har upptäckts. "Dock, det räcker inte att bara visa att vi reproducerar en del data – kan vi förutse något helt nytt?", frågade sig Wlazłowski. För honom, nästa viktiga barriär att övervinna blir att ta reda på om metoden har prediktiv kraft.

Den här typen av mycket komplexa problem kräver enorm datorkraft. Tekniskt, forskarna löser hundratusentals tidsberoende icke-linjära kopplade 3D Partial Differential Equations (PDE). Av denna anledning, Författarna till studien lämnade in en begäran om beräkningstid till Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) och fick tillgång till att använda Piz Daint på CSCS, eftersom, enligt författarna, i Europa kan endast Piz Daint hantera denna typ av beräkningar.