Studiet av varm tät materia hjälper oss att förstå vad som händer inne i gigantiska planeter, bruna dvärgar, och neutronstjärnor. Dock, detta tillstånd av materia, som uppvisar egenskaper hos både fasta och plasma, förekommer inte naturligt på jorden. Det kan produceras artificiellt i laboratoriet med stora röntgenförsök, om än bara i liten skala och under korta perioder. Teoretiska och numeriska modeller är viktiga för att utvärdera dessa experiment, som är omöjliga att tolka utan formler, algoritmer, och simuleringar. Forskare vid Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu utvecklat en metod för att utvärdera sådana experiment mer effektivt och snabbare än tidigare.

Att beskriva det exotiska tillståndet av varm tät materia utgör en extraordinär utmaning för forskare. För en, vanliga modeller för plasmafysik kan inte hantera de höga densiteter som är rådande i detta tillstånd. Och för en annan, även modeller för kondenserad materia är inte längre effektiva under de enorma energier det innebär. Ett team kring Dr. Tobias Dornheim, Dr Attila Cangi, Kushal Ramakrishna, och Maximilian Böhme från CASUS i Görlitz arbetar med att modellera så komplexa system. De första resultaten publicerades nyligen i tidningen Fysiska granskningsbrev . Teamet gick ihop med doktor Jan Vorberger från Institute of Radiation Physics vid HZDR och professor Shigenori Tanaka från Kobe University i Japan för att utveckla en ny metod för att beräkna egenskaperna hos varm tät materia mer effektivt och snabbare.

"Med vår algoritm, vi kan utföra mycket exakta beräkningar av den lokala fältkorrigeringen, som beskriver elektronernas interaktion i varm tät materia och därmed låter oss låsa upp dess egenskaper. Vi kan använda denna beräkning för att modellera och tolka resultat i framtida röntgenspridningsförsök, men också som grund för andra simuleringsmetoder. Vår metod hjälper till att bestämma egenskaperna hos varm tät materia, såsom temperatur och densitet, men också dess konduktivitet för elektrisk ström eller värme och många andra egenskaper, "Förklarar Dornheim.

Stordatorer och neurala nätverk

"Motiveringen bakom vår metod är att vi och många andra forskare skulle vilja veta exakt hur elektroner beter sig under påverkan av små störningar, såsom effekten av en röntgenstråle. Vi kan härleda en formel för detta, men det är för komplext för att lösas med penna och papper. Det är därför vi tidigare använde en viss förenkling, som, dock, misslyckades med att visa några viktiga fysiska effekter. Vi har nu infört en korrigering som tar bort detta fel, "Dornheim fortsätter.

För att genomföra det, de genomförde beräkningsintensiva simuleringar under miljontals processortimmar på stordatorer. Baserat på dessa data och med hjälp av analytiska statistiska metoder, forskarna utbildade ett neuralt nätverk för att numeriskt förutsäga elektronernas interaktion. Effektivitetsvinsterna med det nya verktyget beror på den specifika applikationen. "I allmänhet, fastän, vi kan säga att tidigare metoder krävde tusentals processortimmar för att uppnå en hög noggrannhet, medan vår metod tar bara sekunder, "säger Attila Cangi, som gick med i CASUS från Sandia National Laboratories i USA. "Så nu kan vi utföra simuleringen på en bärbar dator medan vi tidigare behövde en superdator."

Outlook:En ny standardkod för experimentutvärdering

För närvarande, den nya koden kan bara användas för elektroner i metaller, till exempel i experiment på aluminium. Dock, forskarna arbetar redan med en kod som kan tillämpas mer allmänt och som ska ge resultat för en mängd olika material under mycket olika förhållanden i framtiden. "Vi vill införliva våra resultat i en ny kod, som kommer att vara öppen källkod, till skillnad från den nuvarande koden, som är licensierad och därför svår att anpassa sig till nya teoretiska insikter, "förklarar Maximilian Böhme, en doktorand med CASUS som samarbetar om detta med den brittiska plasmafysikern Dave Chapman.

Sådana röntgenförsök för att studera varm tät materia är endast möjliga i en handfull stora laboratorier, inklusive den europeiska XFEL nära Hamburg, Tyskland, men också Linear Coherent Light Source (LCLS) vid Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) vid Stanford University, National Ignition Facility (NIF) vid Lawrence Livermore National Laboratory, Z -maskinen på Sandia National Laboratories, och SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser (SACLA) i Japan. "Vi har kontakt med dessa laboratorier och förväntar oss att kunna vara aktivt involverade i modelleringen av experimenten, "Avslöjar Tobias Dornheim. De första experimenten på Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) på den europeiska XFEL är redan under förberedelse.