Onderzoekers hebben de acties van elektronen onder extreme temperaturen en dichtheden gemodelleerd, zoals die gevonden worden in planeten en sterren.

Het werk kan inzicht verschaffen in het gedrag van materie in fusie-experimenten, die op een dag kan leiden tot een gewilde bron van schone energie.

Elektronen zijn een elementair onderdeel van onze wereld en bepalen veel van de eigenschappen van vaste stoffen en vloeistoffen. Ze voeren ook elektrische stroom, zonder welke onze hightech omgeving met smartphones, computers en zelfs gloeilampen zouden niet mogelijk zijn.

Ondanks hun alomtegenwoordigheid, wetenschappers zijn er nog niet in geslaagd om het gedrag van grote aantallen op elkaar inwerkende elektronen nauwkeurig te beschrijven.

Dit geldt vooral bij extreme temperaturen en dichtheden, zoals binnen planeten of in sterren, waar de elektronen 'warme dichte materie' vormen. Wetenschappers hebben genoeg geschatte modellen om uit te kiezen, maar weinig idee van hun nauwkeurigheid of betrouwbaarheid.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam bestaande uit groepen van Imperial College London, Universiteit van Kiel, en Los Alamos en de Lawrence Livermore National Laboratories in de VS, is erin geslaagd elektronen onder deze extreme omstandigheden te beschrijven door middel van nauwkeurige simulaties.

Hun onderzoeksresultaten, die een decennia oud probleem in de natuurkunde oplossen, worden gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Vijf jaar en drie landen

Professor Matthew Foulkes, van de afdeling natuurkunde van Imperial, zei:"Het kostte vijf jaar en een team van wetenschappers uit drie landen om de nieuwe technieken te ontwikkelen die nodig zijn om warme, dichte materie nauwkeurig te beschrijven.

"Nutsvoorzieningen, Eindelijk, we zijn in een positie om nauwkeurige en directe simulaties van planetaire interieurs uit te voeren; vaste stoffen onder intense laserstraling; laser-geactiveerde katalysatoren; en andere warme dichte systemen.

"Dit is het begin van een nieuw gebied van computationele wetenschap."

Hoe elektronen zich op 'grote schaal' gedragen - bijvoorbeeld de relatie tussen elektrische spanning, weerstand en stroom - is vaak gemakkelijk te beschrijven. Op microscopisch niveau, echter, de elektronen in vloeistoffen en vaste stoffen gedragen zich anders, volgens de wetten van de kwantummechanica.

Deze elektronen gedragen zich als een kwantummechanisch 'gas', die alleen kan worden begrepen door de gecompliceerde wiskundige vergelijkingen van de kwantumtheorie op te lossen.

Warme dichte materie

Vroeger, simulaties waren alleen in staat om het elektronengas bij zeer lage temperatuur te beschrijven. Onlangs, echter, er is een groeiende belangstelling voor materie onder extreme omstandigheden - tienduizend keer warmer dan kamertemperatuur en tot honderd keer dichter dan conventionele vaste stoffen.

In de natuur, deze warme dichte materie komt voor binnen planeten, inclusief de kern van de aarde. Het kan ook experimenteel worden gemaakt in een laboratorium, bijvoorbeeld door gerichte opnamen van vaste stoffen met een laser met hoge intensiteit, of met een vrije elektronenlaser zoals de nieuwe Europese XFEL in Hamburg.

Warme dichte materie is ook relevant voor experimenten met traagheidsopsluiting, waar brandstofpellets onder extreme druk worden gezet. Dit kan kettingreacties veroorzaken die in de toekomst een vrijwel onbeperkte bron van schone energie kunnen opleveren.

Eerdere theorieën over het gedrag van warme dichte materie gebruikten modellen op basis van benaderingen die moeilijk te verifiëren zijn. Echter, door gebruik te maken van geavanceerde computersimulaties in dit nieuwste werk, de natuurkundigen zijn nu in staat om de complexe vergelijkingen die het elektronengas beschrijven nauwkeurig op te lossen.

40 jaar oude modellen verbeteren

Het team heeft de eerste volledige en definitieve beschrijving van de thermodynamische eigenschappen van interagerende elektronen in het bereik van warme dichte materie bereikt. Professor Michaël Bonitz, hoogleraar theoretische natuurkunde en hoofd van het onderzoeksteam van Kiel, zei:"Deze resultaten zijn de eerste exacte gegevens op dit gebied, en zal ons begrip van materie bij extreme temperaturen naar een nieuw niveau tillen."

"Onder andere, de 40 jaar oude bestaande modellen kunnen nu voor het eerst worden herzien en verbeterd."

Het team hoopt dat de uitgebreide datasets en formules die in het project zijn opgebouwd, belangrijk zullen zijn voor vergelijking met experimenten en input zullen leveren voor verdere theorieën, andere wetenschappers helpen bij hun onderzoek.