Wat er precies gebeurt in neutronensterren - het laatste stadium van een reuzenster - is onderhevig aan speculatie. Op het gebied van natuurkunde, het interieur van neutronensterren, koude atomaire gassen en nucleaire systemen hebben allemaal één ding gemeen:het zijn gasvormige systemen die bestaan ​​uit zeer interactieve, supervloeibare fermionen. Onderzoekers voedden de supercomputer Piz Daint met een nieuwe simulatiemethode, en de resultaten bieden eindelijk inzicht in onbekende processen van dergelijke systemen.

Neutronen sterren, koude atomaire gassen en nucleaire systemen zijn allemaal gasvormige systemen die bestaan ​​uit zeer interactieve, supervloeibare fermionen, d.w.z. systemen waarvan de materie bestaat uit deeltjes met een halfgeheel getal spin (intrinsiek impulsmoment). De categorie fermionen omvat elektronen, protonen en neutronen. Bij zeer lage temperaturen, deze systemen worden beschreven als superfluïde, wat betekent dat de deeltjes erin geen enkele interne wrijving genereren en de eigenschap hebben van een bijna perfecte thermische geleidbaarheid.

Deze supervloeibare Fermi-gassen gedragen zich niet volgens de wetten van de klassieke natuurkunde, maar kan beter worden beschreven met behulp van de wetten van de kwantummechanica. Gabriel Wlazłowski, een assistent-professor aan de Technische Universiteit van Warschau en de Universiteit van Washington in Seattle, en zijn team hebben onlangs een nieuwe methode ontwikkeld op basis van densiteitsfunctionaaltheorie (DFT). Met de hulp van de supercomputer Piz Daint, ze willen een zeer nauwkeurige beschrijving maken van deze superfluïde fermionsystemen en hun dynamiek. Met andere woorden, ze zullen beschrijven hoe vortices zich vormen en vergaan in deze 'atomaire wolk'. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Vergelijkbaar met een volksdansfeest

In supervloeibare Fermi-gassen, individuele fermionen en gecorreleerde fermionen komen naast elkaar voor. Uit correlaties tussen deeltjes met tegengestelde spins, supergeleidende eigenschappen van materialen ontstaan. Gecorreleerde fermionen, zoals elektronen in supergeleiders, bestaan ​​in paren als condensaat en worden Cooper-paren genoemd. Elk paar kan door het systeem bewegen zonder energieverlies. Echter, al vele jaren wordt onderzocht wat er gebeurt in gevallen van spin-onevenwichtigheid, omdat niet elk deeltje een partner met tegengestelde spin kan vinden om het Cooper-paar te vormen. "De situatie is vergelijkbaar met een volksdansfeest, waar het aantal mannen en vrouwen onevenwichtig is, iemand zou gefrustreerd raken omdat hij/zij geen paar kan vormen, ", zegt Wlazłowski. Wat doen ongepaarde atomen? Dit is precies wat de onderzoekers hebben bestudeerd.

Een nauwkeurige beschrijving van supervloeibare Fermi-gassen, vooral van spin-ongebalanceerde systemen, was vroeger erg moeilijk. Spin-onbalans treedt op wanneer een systeem wordt beïnvloed door een magnetisch veld, zegt Gabriel Wlazłowski. Het doel van de onderzoeker is nu om DFT-formalisme toe te passen op neutronensterren en op magnetars - neutronensterren met een sterk magnetisch veld - om te voorspellen wat er binnenin gebeurt. "Duidelijk, er is geen manier om expliciet het interieur van sterren te onderzoeken. Dus, we moeten vertrouwen op simulaties, waarvoor we betrouwbare instrumenten nodig hebben, " zegt Wlazłowski. Daarom, onderzoekers waren op zoek naar een terrestrisch systeem dat veel overeenkomsten vertoont met het doelsysteem. "Het blijkt dat sterk interagerende ultrakoude atomaire gassen erg lijken op neutronenmaterie."

Voor hun numerieke experimenten, de onderzoekers gebruikten de meest complete kwantumtheoretische beschrijving die momenteel beschikbaar is voor systemen met veel lichamen om dit type systeem te beschrijven. Dit stelde hen in staat om een ​​meer diepgaande DFT-theorie voor superfluïde systemen te produceren. Ze combineerden het ook met een speciale tijdsafhankelijke superfluïde lokale dichtheidsbenadering voor een unitair spin-ongebalanceerd Fermi-gas. "Zonder benadering, supergeleidende DFT zal leiden tot integro-differentiaalvergelijkingen die zelfs voor exascale supercomputers onbereikbaar zijn, " zegt Wlazłowski. Met hun huidige studie, de onderzoekers kunnen nu aantonen dat deze benadering heel goed werkt in de beschouwde systemen.

Correlatie tussen simulatie en experiment

"Door een visualisatie van de berekeningen te maken en deze afbeeldingen te vergelijken met foto's uit experimenten, we waren in staat om deze kwantummechanische systemen direct te observeren, ", zegt Wlazłowski. "Het vergelijken van de theoretische en experimentele resultaten leverde uitstekende correlaties op." Dit stelde de onderzoekers in staat om het bewijs te leveren dat hun nieuwe methode voor het berekenen van het gedrag van dergelijke systemen werkt. De volgende stap zal zijn om de methode toe te passen op processen dat zal nooit met het blote oog te zien zijn, zoals die in neutronensterren.

Een andere belangrijke bevinding kwam van de observaties van de onderzoekers van drie verschillende vortex-vervalpatronen in de superfluïden. Volgens de onderzoekers is de verschillende vervalpatronen (zie figuur) zijn afhankelijk van de spinpolarisatie van de deeltjes van het systeem. Ze zeggen ook dat de polarisatie wordt veroorzaakt door het zuigende effect van de ongepaarde deeltjes in het superfluïde gas. Met andere woorden:de natuur probeert ongepaarde deeltjes te verzamelen in gebieden, waar ze de doorstroming niet belemmeren. Kernen van gekwantiseerde wervels zijn zulke plaatsen, en polarisatie van de verschillende wervels zou dan moeten voorkomen dat ze zich opnieuw hechten, althans dat voorspellen de onderzoekers. Ze gaan er daarom van uit dat polarisatie-effecten grote invloed hebben op kwantumverschijnselen en zullen leiden tot nieuwe, nog te ontdekken gebieden van de natuurkunde. "Echter, alleen om te laten zien dat we sommige gegevens reproduceren is niet genoeg - kunnen we iets geheel nieuws voorspellen?", Wlazłowski vroeg zich af. Voor hem, de volgende belangrijke barrière die moet worden overwonnen, is om erachter te komen of de methode voorspellende kracht heeft.

Dit soort zeer complexe problemen vereist enorme rekenkracht. Technisch gezien, de onderzoekers lossen honderdduizenden tijdsafhankelijke niet-lineaire gekoppelde 3D Partial Differential Equations (PDE's) op. Om deze reden, de auteurs van de studie dienden een verzoek om rekentijd in bij het Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) en kregen toegang om Piz Daint te gebruiken bij CSCS, omdat, volgens de auteurs in Europa kan alleen Piz Daint dit soort berekeningen aan.