Truque computacional permite compreender melhor o estado exótico da matéria
Novo processo relevante para a investigação sobre fusão e materiais
Pode ser encontrada no interior de gigantes gasosos como Júpiter e é brevemente criada durante impactos de meteoritos ou em experiências de fusão a laser: a matéria densa quente. Este estado exótico da matéria combina caraterísticas das fases sólida, líquida e gasosa. Até agora, simular com exatidão a matéria quente e densa tem sido considerado um grande desafio. Uma equipa internacional liderada por investigadores do Centro para a Compreensão de Sistemas Avançados (CASUS) do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) na Alemanha e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) conseguiu descrever este estado da matéria com muito mais precisão do que antes, utilizando um novo método computacional. Esta abordagem poderá fazer avançar a fusão a laser e ajudar na síntese de novos materiais de alta tecnologia. A equipa apresenta os seus resultados na revista Nature Communications.
A matéria quente e densa (WDM) é caracterizada por temperaturas que variam entre vários milhares e centenas de milhões de Kelvin e densidades que por vezes excedem as dos sólidos. "Tais condições podem ser encontradas, por exemplo, no interior de planetas gasosos, em anãs castanhas ou nas atmosferas de anãs brancas", explica o Dr. Tobias Dornheim, líder do grupo júnior no CASUS e primeiro autor da publicação. "Na Terra, pode ser criado durante o impacto de meteoritos ou, por exemplo, em experiências com lasers potentes."
WDM é de particular interesse para a investigação de materiais. Por exemplo, podem ser produzidos diamantes minúsculos através da compressão e aquecimento de plásticos. A WDM também desempenha um papel central na investigação da fusão, especialmente na fusão por confinamento inercial conduzida por laser, que é estudada na Instalação Nacional de Ignição (NIF) do LLNL. Aqui, uma cápsula contendo combustível de fusão - normalmente os isótopos de hidrogénio deutério e trítio - é aquecida e comprimida tão intensamente por bombardeamento laser que os núcleos atómicos se fundem, libertando energia. "Quando a cápsula de fusão é atingida por lasers, o hidrogénio passa para o estado de matéria densa quente", explica o Dr. Tilo Döppner, um cientista do LLNL que desempenhou um papel fundamental em numerosas experiências de fusão no NIF. "Para obter ganhos de energia nas experiências de fusão, temos de compreender o melhor possível o estado WDM".
Uma solução para o problema dos sinais
As simulações em computador podem ajudar a descrever o WDM. No entanto, as técnicas de simulação convencionais têm as suas limitações. "O problema é que o WDM é um estado intermediário - nem sólido, nem líquido, nem plasma totalmente ionizado", explica o Dr. Maximilian Böhme, que obteve seu doutorado no CASUS em 2024 e depois continuou sua carreira científica como Lawrence Fellow no LLNL. "A maioria dos modelos existentes envolve uma série de aproximações e, portanto, muitas vezes não consegue atingir a precisão necessária", diz Böhme.
A simulação Monte Carlo integral do caminho (PIMC) seria um método preciso. Em princípio, permite uma descrição mecânica quântica completa do WDM, mas normalmente falha devido ao chamado problema do sinal: para calcular as propriedades dos materiais sem aproximações, é necessário somar as contribuições respectivas de todos os electrões de um material. No entanto, enquanto os electrões têm carga negativa, a função de onda utilizada para descrever o seu estado quântico oscila entre positivo e negativo. Estas contribuições opostas para a simulação PIMC podem anular-se mutuamente. Com cada partícula adicional no sistema, o número de combinações destas contribuições "afectadas pelo sinal" relevantes para um cálculo preciso aumenta exponencialmente. Por isso, mesmo os supercomputadores mais potentes do mundo só conseguem calcular simulações PIMC para algumas partículas.
Foi aqui que Dornheim e a sua equipa entraram em ação. "Introduzimos estatísticas de partículas imaginárias, que não são fisicamente reais, mas que ajudam a atenuar o problema do sinal", explica Dornheim. "Este truque computacional permitiu-nos aplicar pela primeira vez o método PIMC exato a um material realista, neste caso o berílio."
As simulações vão ao encontro das experiências
É aqui que as experiências no LLNL, lideradas por Döppner, entram em ação. Nestas experiências, as cápsulas de berílio foram comprimidas para além de 10 vezes a densidade sólida e aquecidas utilizando os 192 feixes de laser da NIF. Simultaneamente, foram utilizados poderosos raios X para examinar a pequena amostra. Os raios X dispersos revelaram a densidade e o aquecimento do material durante a compressão a laser. "No passado, eram utilizados modelos relativamente simples para analisar os dados de dispersão de raios X", diz Dornheim. "Com o nosso novo método, podemos determinar parâmetros importantes, como a densidade e a temperatura, a partir do sinal de dispersão, sem aproximações."
De facto, a análise revelou que a densidade da amostra era inferior à inferida com os modelos anteriormente utilizados. "As nossas descobertas são cruciais para a modelização futura do processo de fusão do hidrogénio", sublinha o Dr. Jan Vorberger, do Instituto de Física das Radiações da HZDR. "As simulações anteriores da compressão da cápsula de fusão podem basear-se em pressupostos incorrectos. O nosso método fornece uma ferramenta de diagnóstico precisa para analisar os processos com maior exatidão." Para além do diagnóstico, o novo método pode também ser utilizado para obter equações de estado - ou seja, as relações entre pressão, temperatura e energia. Estes dados são importantes para o desenvolvimento de centrais eléctricas de fusão, mas também para a compreensão dos exoplanetas.
Experiência adicional planeada no NIF
No outono de 2025, a equipa planeia realizar uma nova série de experiências no NIF. "Queremos aperfeiçoar ainda mais os diagnósticos e descobrir até que ponto o nosso método é sensível a pequenas alterações", explica Dornheim. No futuro, os cálculos deverão não só explicar os dados existentes, mas também ajudar ativamente a planear e otimizar novas experiências - por exemplo, para o desenvolvimento de cápsulas de fusão mais eficientes.
O estudo contou com a participação de investigadores de várias instituições. Para além do HZDR e do LLNL, participaram também o Instituto Real de Tecnologia (KTH) de Estocolmo (Suécia), a Universidade de Rostock, a Universidade Técnica de Dresden (ambas na Alemanha), a Universidade de Warwick (Reino Unido) e o SLAC National Accelerator Laboratory (EUA).
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Publicação original
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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