L'astuce informatique permet de mieux comprendre l'état exotique de la matière
Un nouveau procédé intéressant pour la recherche sur la fusion et les matériaux
On la trouve à l'intérieur des géantes gazeuses comme Jupiter et elle est brièvement créée lors d'impacts de météorites ou d'expériences de fusion laser : la matière dense et chaude. Cet état exotique de la matière combine des caractéristiques des phases solide, liquide et gazeuse. Jusqu'à présent, la simulation précise de la matière dense chaude était considérée comme un défi majeur. Une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en Allemagne et du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a réussi à décrire cet état de la matière de manière beaucoup plus précise qu'auparavant en utilisant une nouvelle méthode de calcul. Cette approche pourrait faire progresser la fusion laser et contribuer à la synthèse de nouveaux matériaux de haute technologie. L'équipe présente ses résultats dans la revue Nature Communications.
La matière dense et chaude (MDT) se caractérise par des températures allant de plusieurs milliers à des centaines de millions de kelvins et des densités qui dépassent parfois celles des solides. "On trouve de telles conditions, par exemple, à l'intérieur des planètes gazeuses, dans les naines brunes ou dans l'atmosphère des naines blanches", explique Tobias Dornheim, chef de groupe junior à la CASUS et premier auteur de la publication. "Sur Terre, elle peut être créée lors d'impacts de météorites ou, par exemple, lors d'expériences avec des lasers puissants."
La WDM présente un intérêt particulier pour la recherche sur les matériaux. Par exemple, de minuscules diamants peuvent être produits en comprimant et en chauffant des plastiques. La WDM joue également un rôle central dans la recherche sur la fusion, en particulier dans la fusion par confinement inertiel pilotée par laser qui est étudiée au National Ignition Facility (NIF) du LLNL. Dans cette installation, une capsule contenant du combustible de fusion - généralement les isotopes d'hydrogène deutérium et tritium - est chauffée et comprimée si intensément par un bombardement laser que les noyaux atomiques fusionnent, libérant ainsi de l'énergie. "Lorsque la capsule de fusion est bombardée par des lasers, l'hydrogène passe par l'état de matière dense et chaude", explique Tilo Döppner, un scientifique du LLNL qui a joué un rôle clé dans de nombreuses expériences de fusion au NIF. "Pour obtenir un gain d'énergie dans les expériences de fusion, nous devons comprendre au mieux l'état de la matière dense chaude".
Une solution au problème des signes
Les simulations informatiques peuvent aider à décrire la WDM. Cependant, les techniques de simulation conventionnelles ont leurs limites. "Le problème est que la WDM est un état intermédiaire - ni solide, ni liquide, ni plasma entièrement ionisé", explique Maximilian Böhme, qui a obtenu son doctorat au CASUS en 2024 et a ensuite poursuivi sa carrière scientifique en tant que Lawrence Fellow au LLNL. "La plupart des modèles existants impliquent une série d'approximations et ne parviennent donc souvent pas à atteindre la précision nécessaire", explique M. Böhme.
La simulation Monte Carlo intégrale (PIMC) serait une méthode précise. En principe, elle permet une description mécanique quantique complète du WDM, mais elle échoue généralement en raison du problème dit du signe : pour calculer les propriétés des matériaux sans approximations, les contributions respectives de tous les électrons au sein d'un matériau doivent être additionnées. Cependant, si les électrons sont chargés négativement, la fonction d'onde utilisée pour décrire leur état quantique oscille entre le positif et le négatif. Ces contributions opposées à la simulation PIMC peuvent s'annuler mutuellement. Avec chaque particule supplémentaire dans le système, le nombre de combinaisons de ces contributions "affectées par le signe" pertinentes pour un calcul précis augmente de façon exponentielle. Même les superordinateurs les plus puissants du monde ne peuvent donc souvent calculer des simulations PIMC que pour quelques particules.
C'est là que Dornheim et son équipe sont intervenus. "Nous avons introduit des statistiques de particules imaginaires, qui ne sont pas physiquement réelles, mais qui permettent d'atténuer le problème du signe", explique M. Dornheim. "Cette astuce de calcul nous a permis d'appliquer pour la première fois la méthode PIMC exacte à un matériau réaliste, en l'occurrence le béryllium.
Les simulations rencontrent les expériences
C'est là que les expériences menées au LLNL, sous la direction de Döppner, entrent en jeu. Dans ces expériences, des capsules de béryllium ont été comprimées à plus de 10 fois la densité solide et chauffées à l'aide des 192 faisceaux laser du NIF. Simultanément, de puissants rayons X ont été utilisés pour examiner le minuscule échantillon. Les rayons X diffusés ont révélé à quel point le matériau est devenu dense et chaud pendant la compression laser. "Par le passé, des modèles relativement simples étaient utilisés pour analyser les données de diffusion des rayons X", explique M. Dornheim. "Avec notre nouvelle méthode, nous pouvons maintenant déterminer des paramètres importants tels que la densité et la température à partir du signal de diffusion, sans aucune approximation."
En fait, l'analyse a révélé que la densité de l'échantillon était inférieure à celle déduite des modèles précédemment utilisés. "Nos résultats sont essentiels pour la modélisation future du processus de fusion de l'hydrogène", souligne le Dr Jan Vorberger de l'Institut de physique des rayonnements du HZDR. "Les simulations précédentes de la compression de la capsule de fusion peuvent être basées sur des hypothèses incorrectes. Notre méthode fournit un outil de diagnostic précis permettant d'analyser les processus avec plus d'exactitude". Outre les diagnostics, la nouvelle méthode pourrait également être utilisée pour obtenir des équations d'état, c'est-à-dire les relations entre la pression, la température et l'énergie. Ces données sont importantes pour le développement de centrales à fusion, mais aussi pour la compréhension des exoplanètes.
Expérience supplémentaire prévue au FNI
À l'automne 2025, l'équipe prévoit de mener une nouvelle série d'expériences au NIF. "Nous voulons affiner les diagnostics et déterminer à quel point notre méthode est sensible aux petits changements", explique M. Dornheim. À l'avenir, les calculs devraient non seulement expliquer les données existantes, mais aussi contribuer activement à la planification et à l'optimisation de nouvelles expériences, par exemple pour le développement de capsules de fusion plus efficaces.
Des chercheurs de plusieurs institutions ont participé à l'étude. Outre le HZDR et le LLNL, il s'agit de l'Institut royal de technologie (KTH) de Stockholm (Suède), de l'université de Rostock, de l'université technique de Dresde (toutes deux en Allemagne), de l'université de Warwick (Royaume-Uni) et du SLAC National Accelerator Laboratory (États-Unis).
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Tobias Dornheim, Tilo Döppner, Panagiotis Tolias, Maximilian P. Böhme, Luke B. Fletcher, Thomas Gawne, Frank R. Graziani, Dominik Kraus, Michael J. MacDonald, Zhandos A. Moldabekov, Sebastian Schwalbe, Dirk O. Gericke, Jan Vorberger; "Unraveling electronic correlations in warm dense quantum plasmas"; Nature Communications, Volume 16, 2025-6-2
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