Los investigadores han modelado las acciones de los electrones bajo temperaturas y densidades extremas, como las que se encuentran dentro de los planetas y las estrellas.
El trabajo podría proporcionar información sobre el comportamiento de la materia en los experimentos de fusión, lo que algún día puede conducir a una fuente de energía limpia muy solicitada.
Los electrones son un componente elemental de nuestro mundo y determinan muchas de las propiedades de los sólidos y líquidos. También transportan corriente eléctrica, sin la cual nuestro entorno de alta tecnología con teléfonos inteligentes, computadoras e incluso bombillas no sería posible.
A pesar de su ubicuidad, los científicos aún no han podido describir con precisión el comportamiento de grandes cantidades de electrones que interactúan.
Esto es especialmente cierto a temperaturas y densidades extremas, como dentro de los planetas o en las estrellas, donde los electrones forman "materia densa y cálida". Los científicos tienen muchos modelos aproximados para elegir, pero poca idea de su precisión o confiabilidad.
Ahora, un equipo de investigación compuesto por grupos del Imperial College de Londres, la Universidad de Kiel, Los Alamos y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en los Estados Unidos, ha logrado describir electrones en estas condiciones extremas mediante simulaciones precisas.
Los hallazgos de su investigación, que resuelven un problema de física de hace décadas, se publican en la revista Physical Review Letters.
El profesor Matthew Foulkes, del Departamento de Física de Imperial, dijo: "Se necesitaron cinco años y un equipo de científicos de tres países para desarrollar las nuevas técnicas necesarias para describir con precisión la materia cálida y densa".
"Ahora, por fin, estamos en condiciones de realizar simulaciones precisas y directas de interiores planetarios; sólidos bajo irradiación láser intensa; catalizadores activados por láser y otros sistemas densos y cálidos".
"Este es el comienzo de un nuevo campo de la ciencia computacional"
El comportamiento de los electrones a 'gran escala', por ejemplo, la relación entre voltaje eléctrico, resistencia y corriente, es a menudo fácil de describir. Sin embargo, a nivel microscópico, los electrones en líquidos y sólidos se comportan de manera diferente, de acuerdo conLas leyes de la mecánica cuántica.
Estos electrones se comportan como un 'gas' de mecánica cuántica, que solo puede entenderse resolviendo las complicadas ecuaciones matemáticas de la teoría cuántica.
En el pasado, las simulaciones solo podían describir el gas de electrones a muy baja temperatura. Recientemente, sin embargo, ha habido un creciente interés en la materia en condiciones extremas: diez mil veces más cálidas que la temperatura ambiente y hasta cien veces más densasque los sólidos convencionales.
En la naturaleza, esta materia densa y cálida se produce dentro de los planetas, incluido el núcleo de la Tierra. También se puede crear experimentalmente en un laboratorio, por ejemplo, mediante disparos dirigidos de materia sólida con un láser de alta intensidad o con un láser de electrones libre comoEl nuevo XFEL europeo en Hamburgo.
La materia densa y cálida también es relevante para los experimentos con fusión por confinamiento inercial, donde las pastillas de combustible se someten a una presión extrema. Esto puede causar reacciones en cadena que podrían proporcionar una fuente prácticamente ilimitada de energía limpia en el futuro.
Las teorías anteriores del comportamiento de la materia densa y cálida usaban modelos basados en aproximaciones que son difíciles de verificar. Sin embargo, al usar simulaciones sofisticadas por computadora en este último trabajo, los físicos ahora pueden resolver con precisión las complejas ecuaciones que describen el gas electrónico.
El equipo ha logrado la primera descripción completa y final de las propiedades termodinámicas de los electrones que interactúan en el rango de materia densa y cálida. El profesor Michael Bonitz, profesor de física teórica y jefe del equipo de investigación de Kiel, dijo: "Estos resultados son losprimeros datos exactos en esta área, y llevaremos nuestra comprensión de la materia a temperaturas extremas a un nuevo nivel "
"Entre otras cosas, los modelos existentes de 40 años ahora se pueden revisar y mejorar por primera vez"
El equipo espera que los extensos conjuntos de datos y fórmulas construidos en el proyecto sean importantes para la comparación con los experimentos y proporcionen información sobre nuevas teorías, ayudando a otros científicos en su investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Imperial College de Londres . Original escrito por Hayley Dunning. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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