Un trucco computazionale permette di comprendere meglio lo stato esotico della materia
Nuovo processo rilevante per la ricerca sulla fusione e sui materiali
Si trova all'interno di giganti gassosi come Giove e si crea brevemente durante gli impatti di meteoriti o negli esperimenti di fusione laser: la materia densa calda. Questo stato esotico della materia combina caratteristiche delle fasi solida, liquida e gassosa. Finora, la simulazione accurata della materia densa calda è stata considerata una grande sfida. Un team internazionale guidato da ricercatori del Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Germania e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) è riuscito a descrivere questo stato di materia in modo molto più accurato rispetto al passato, utilizzando un nuovo metodo di calcolo. L'approccio potrebbe far progredire la fusione laser e contribuire alla sintesi di nuovi materiali ad alta tecnologia. Il team presenta i suoi risultati sulla rivista Nature Communications.
La materia densa calda (WDM) è caratterizzata da temperature che vanno da diverse migliaia a centinaia di milioni di Kelvin e da densità che talvolta superano quelle dei solidi. "Tali condizioni si possono trovare, ad esempio, all'interno di pianeti gassosi, nelle nane brune o nelle atmosfere delle nane bianche", spiega il dottor Tobias Dornheim, junior group leader del CASUS e primo autore della pubblicazione. "Sulla Terra, può essere creato durante l'impatto di meteoriti o, ad esempio, in esperimenti con potenti laser".
WDM è di particolare interesse per la ricerca sui materiali. Ad esempio, è possibile produrre piccoli diamanti comprimendo e riscaldando la plastica. Il WDM svolge anche un ruolo centrale nella ricerca sulla fusione, in particolare nella fusione a confinamento inerziale guidata dal laser, studiata presso la National Ignition Facility (NIF) dell'LLNL. Qui, una capsula contenente il combustibile per la fusione - in genere gli isotopi di idrogeno, deuterio e trizio - viene riscaldata e compressa così intensamente dal bombardamento laser che i nuclei atomici si fondono, rilasciando energia. "Quando la capsula di fusione viene colpita con il laser, l'idrogeno passa attraverso lo stato di materia calda e densa", spiega il dottor Tilo Döppner, scienziato del LLNL che ha svolto un ruolo chiave in numerosi esperimenti di fusione presso il NIF. "Per ottenere un guadagno di energia negli esperimenti di fusione, dobbiamo comprendere al meglio lo stato WDM".
Una soluzione al problema del segno
Le simulazioni al computer possono aiutare a descrivere il WDM. Tuttavia, le tecniche di simulazione convenzionali hanno i loro limiti. "Il problema è che il WDM è uno stato intermedio - né solido, né liquido, né un plasma completamente ionizzato", spiega il dottor Maximilian Böhme, che ha conseguito il dottorato al CASUS nel 2024 e ha poi proseguito la sua carriera scientifica come Lawrence Fellow all'LLNL. "La maggior parte dei modelli esistenti comporta una serie di approssimazioni e quindi spesso non riesce a raggiungere la precisione necessaria", spiega Böhme.
La simulazione Monte Carlo integrale di percorso (PIMC) sarebbe un metodo preciso. In linea di principio, consente una descrizione quantomeccanica completa del WDM, ma di solito fallisce a causa del cosiddetto problema del segno: per calcolare le proprietà dei materiali senza approssimazioni, i rispettivi contributi di tutti gli elettroni all'interno di un materiale devono essere sommati. Tuttavia, mentre gli elettroni sono carichi negativamente, la funzione d'onda utilizzata per descrivere il loro stato quantistico oscilla tra positivo e negativo. Questi contributi opposti alla simulazione PIMC possono annullarsi a vicenda. Con ogni particella aggiuntiva nel sistema, il numero di combinazioni di questi contributi "influenzati dal segno" rilevanti per un calcolo accurato aumenta esponenzialmente. Anche i supercomputer più potenti del mondo possono quindi spesso calcolare simulazioni PIMC solo per poche particelle.
È qui che Dornheim e il suo team sono intervenuti. "Abbiamo introdotto statistiche immaginarie delle particelle, che non sono fisicamente reali, ma aiutano a mitigare il problema del segno", spiega Dornheim. "Questo trucco computazionale ci ha permesso di applicare per la prima volta il metodo PIMC esatto a un materiale realistico, in questo caso il berillio".
Le simulazioni incontrano gli esperimenti
È qui che entrano in gioco gli esperimenti dell'LLNL, guidati da Döppner. In questi esperimenti, le capsule di berillio sono state compresse oltre 10 volte la densità solida e riscaldate utilizzando i 192 fasci laser del NIF. Contemporaneamente, sono stati utilizzati potenti raggi X per esaminare il piccolo campione. I raggi X diffusi hanno rivelato quanto denso e caldo sia diventato il materiale durante la compressione laser. "In passato, per analizzare i dati di diffusione dei raggi X si utilizzavano modelli relativamente semplici", spiega Dornheim. "Con il nostro nuovo metodo, ora possiamo determinare parametri importanti come la densità e la temperatura dal segnale di scattering senza alcuna approssimazione".
In effetti, l'analisi ha rivelato che la densità del campione era inferiore a quella dedotta con i modelli usati in precedenza. "I nostri risultati sono fondamentali per la futura modellazione del processo di fusione dell'idrogeno", sottolinea il dottor Jan Vorberger dell'Istituto di fisica delle radiazioni dell'HZDR. "Le precedenti simulazioni della compressione della capsula di fusione possono basarsi su ipotesi errate. Il nostro metodo fornisce uno strumento diagnostico preciso per analizzare i processi in modo più accurato". Oltre alla diagnostica, il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato anche per ottenere le equazioni di stato, ossia le relazioni tra pressione, temperatura ed energia. Questi dati sono importanti per lo sviluppo di centrali a fusione, ma anche per la comprensione degli esopianeti.
Esperimento aggiuntivo previsto al NIF
Nell'autunno del 2025, il team prevede di condurre una nuova serie di esperimenti al NIF. "Vogliamo perfezionare ulteriormente la diagnostica e scoprire quanto il nostro metodo sia sensibile a piccoli cambiamenti", spiega Dornheim. In futuro, i calcoli dovrebbero non solo spiegare i dati esistenti, ma anche aiutare attivamente a pianificare e ottimizzare nuovi esperimenti, ad esempio per lo sviluppo di capsule di fusione più efficienti.
Allo studio hanno partecipato ricercatori di diverse istituzioni. Oltre all'HZDR e all'LLNL, hanno partecipato il Royal Institute of Technology (KTH) di Stoccolma (Svezia), l'Università di Rostock e l'Università Tecnica di Dresda (entrambe in Germania), l'Università di Warwick (Regno Unito) e lo SLAC National Accelerator Laboratory (USA).
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Pubblicazione 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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