De studie van warme, dichte materie helpt ons te begrijpen wat er binnenin reuzenplaneten gebeurt, bruine dwergen, en neutronensterren. Echter, deze toestand van de materie, die eigenschappen vertoont van zowel vaste stoffen als plasma's, komt niet van nature voor op aarde. Het kan kunstmatig in het laboratorium worden geproduceerd met behulp van grote röntgenexperimenten, zij het slechts op kleine schaal en voor korte tijd. Theoretische en numerieke modellen zijn essentieel om deze experimenten te evalueren, die onmogelijk te interpreteren zijn zonder formules, algoritmen, en simulaties. Wetenschappers van het Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) aan het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben nu een methode ontwikkeld om dergelijke experimenten effectiever en sneller dan voorheen te evalueren.

Het beschrijven van de exotische staat van warme, dichte materie vormt een buitengewone uitdaging voor onderzoekers. Voor een, gangbare modellen van plasmafysica kunnen de hoge dichtheden die in deze staat voorkomen niet aan. En voor een ander zelfs modellen voor gecondenseerde materie zijn niet langer effectief onder de enorme energieën die het met zich meebrengt. Een team rond Dr. Tobias Dornheim, Dr. Attila Cangi, Kushal Ramakrishna, en Maximilian Böhme van CASUS in Görlitz werken aan het modelleren van dergelijke complexe systemen. De eerste resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Het team heeft de krachten gebundeld met Dr. Jan Vorberger van het Institute of Radiation Physics aan de HZDR en Prof. Shigenori Tanaka van de Kobe University in Japan om een ​​nieuwe methode te ontwikkelen om de eigenschappen van warme, dichte materie efficiënter en sneller te berekenen.

"Met ons algoritme we kunnen zeer nauwkeurige berekeningen uitvoeren van de lokale veldcorrectie, die de interactie van elektronen in warme, dichte materie beschrijft en ons zo in staat stelt de eigenschappen ervan te ontsluiten. We kunnen deze berekening gebruiken om resultaten te modelleren en te interpreteren in toekomstige röntgenverstrooiingsexperimenten, maar ook als basis voor andere simulatiemethoden. Onze methode helpt bij het bepalen van de eigenschappen van warme dichte materie, zoals temperatuur en dichtheid, maar ook zijn geleidbaarheid voor elektrische stroom of warmte en vele andere kenmerken, ', legt Dornheim uit.

Mainframecomputers en neurale netwerken

"De motivatie achter onze methode is dat wij en vele andere onderzoekers graag willen weten hoe elektronen zich precies gedragen onder invloed van kleine verstoringen, zoals het effect van een röntgenstraal. We kunnen hiervoor een formule afleiden, maar het is te ingewikkeld om met potlood en papier op te lossen. Daarom hebben we eerder onze toevlucht genomen tot een zekere vereenvoudiging, die, echter, enkele belangrijke fysieke effecten niet vertoonden. We hebben nu een correctie aangebracht die deze fout verwijdert, ’ vervolgt Dornheim.

Om het uit te voeren, ze voerden rekenintensieve simulaties uit over miljoenen processoruren op mainframecomputers. Op basis van deze gegevens en met behulp van analytische statistische methoden, de wetenschappers trainden een neuraal netwerk om de interactie van elektronen numeriek te voorspellen. De efficiëntiewinsten van de nieuwe tool zijn afhankelijk van de specifieke toepassing. "In het algemeen, Hoewel, we kunnen zeggen dat eerdere methoden duizenden processoruren nodig hadden om een ​​hoge mate van nauwkeurigheid te bereiken, terwijl onze methode slechts enkele seconden duurt, " zegt Attila Cangi, die zich bij CASUS voegde vanuit Sandia National Laboratories in de Verenigde Staten. "Dus nu kunnen we de simulatie uitvoeren op een laptop, terwijl we vroeger een supercomputer nodig hadden."

Outlook:een nieuwe standaardcode voor experimentevaluatie

Voorlopig, de nieuwe code kan alleen worden gebruikt voor elektronen in metalen, bijvoorbeeld in experimenten op aluminium. Echter, de onderzoekers werken nu al aan een code die meer algemeen toepasbaar is en die in de toekomst resultaten moet opleveren voor een grote verscheidenheid aan materialen onder zeer verschillende omstandigheden. "We willen onze bevindingen verwerken in een nieuwe code, die open source zal zijn, in tegenstelling tot de huidige code, die is gelicentieerd en daarom moeilijk aan te passen aan nieuwe theoretische inzichten, " legt Maximilian Böhme uit, een promovendus bij CASUS die hiervoor samenwerkt met de Britse plasmafysicus Dave Chapman.

Dergelijke röntgenexperimenten om warme, dichte materie te bestuderen, zijn alleen mogelijk in een handvol grote laboratoria, waaronder de Europese XFEL bij Hamburg, Duitsland, maar ook de Linear Coherent Light Source (LCLS) van het Stanford Linear Accelerator Centre (SLAC) aan de Stanford University, de National Ignition Facility (NIF) in het Lawrence Livermore National Laboratory, de Z-machine bij Sandia National Laboratories, en de SPring-8 Angstrom Compact vrije elektronen LAser (SACLA) in Japan. "We hebben contact met deze laboratoria en verwachten actief betrokken te kunnen zijn bij het modelleren van de experimenten, Tobias Dornheim onthult. De eerste experimenten bij de Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) bij de Europese XFEL worden al voorbereid.