发现由许多相互作用的粒子组成的量子系统的特性仍然是一个巨大的挑战。虽然基础数学方程式早已为人所知，但它们太复杂而无法在实践中求解。打破这一障碍很可能会导致物理学、化学和材料科学领域出现大量新发现和应用。

研究人员使用随机数来精确描述在某些行星内部发现的温暖致密氢

Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf(HZDR)高级系统理解中心(CASUS)的研究人员现在向前迈出了重要一步，他们比以往更精确地描述了所谓的暖致密氢——在高压等极端条件下的氢——.他们的工作发表在PhysicalReviewLetters上。

科学家们的方法基于一种使用随机数的方法，可以首次解决当许多氢原子在行星内部或聚变反应堆等条件下相互作用时所涉及的电子的基本量子动力学。

氢是宇宙中最丰富的元素。它是为包括我们的太阳在内的恒星提供动力的燃料，它构成了行星的内部，例如我们太阳系的气态巨行星木星。氢在宇宙中最常见的形式不是无色无味的气体，也不是地球上众所周知的水等含氢分子。

恒星和行星的温暖致密氢——极度压缩的氢——在某些情况下像金属一样导电。暖致密物质研究的重点是在非常高的温度或压力等条件下的物质，这种情况在宇宙中随处可见，但地球表面不会自然发生。

模拟方法及其局限性

为了阐明氢和其他物质在极端条件下的特性，科学家们严重依赖模拟。广泛使用的一种称为密度泛函理论(DFT)。尽管它取得了成功，但它在描述温暖致密的氢气方面仍有不足。主要原因是准确的模拟需要精确了解电子在温暖的致密氢中的相互作用。

但是缺少这种知识，科学家们仍然不得不依赖这种相互作用的近似值，从而导致模拟结果不准确。由于这种知识差距，例如，无法准确模拟惯性约束聚变(ICF)反应的加热阶段。消除这一障碍可以显着推动聚变能研究的两大分支之一的ICF成为未来相关的零碳发电技术。

在新出版物中，主要作者MaximilianBöhme、ZhandosMoldabekov博士、青年研究小组负责人TobiasDornheim博士(所有CASUS-HZDR)和JanVorberger博士(辐射物理研究所-HZDR)首次展示了特性可以使用所谓的量子蒙特卡罗(QMC)模拟非常精确地描述暖致密氢。

“我们所做的是扩展一种称为路径积分蒙特卡洛(PIMC)的QMC方法，以模拟温暖致密氢的静态电子密度响应，”Böhme说，他正在CASUS攻读博士学位。“我们的方法不依赖于以前方法所遭受的近似值。它直接计算基本的量子动力学，因此非常精确。然而，当涉及到规模时，我们的方法有其局限性，因为它的计算量很大。即使[我们]依靠最大的超级计算机，到目前为止我们只能处理两位数范围内的粒子数。”

更高的尺度——而且仍然精确

新方法的影响可能是深远的：巧妙地结合PIMC和DFT可以从PIMC方法的准确性和DFT方法的速度和多功能性中获益——后者的计算强度要​​低得多。

“到目前为止，科学家们正在迷雾中四处寻找，以在他们的DFT模拟中找到可靠的电子相关性近似值，”Dornheim说。“使用极少数粒子的PIMC结果作为参考，他们现在可以调整DFT模拟的设置，直到DFT结果与PIMC结果匹配。通过改进的DFT模拟，我们应该能够在数百到数百个系统中产生精确的结果甚至数千个粒子。”

采用这种方法，科学家们可以显着增强DFT，从而改进对任何物质或材料行为的模拟。在基础研究中，它将允许实验物理学家需要将预测模拟与他们从大型基础设施获得的实验结果进行比较，例如汉堡(德国)附近的欧洲X射线自由电子激光设施(EuropeanXFEL)、直线加速器相干光源(LCLS)位于门洛帕克的国家加速器实验室，或位于利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(NIF)(均为美国)。

关于氢，Böhme及其同事的工作可能有助于阐明温暖致密的氢如何变成金属氢的细节，金属氢是通过实验和模拟深入研究的氢的新相。在实验室中通过实验产生金属氢可以在未来实现有趣的应用。