Cálculo de propiedades del plasma cuántico de alta densidad.

Investigadores de la Universidad de Kiel, Dresden-Rossendorf Helmholtzzentrum y la Universidad de Rostock están desarrollando simulaciones cuánticas que pueden ayudar a predecir las propiedades de la materia densa y cálida y los plasmas de fusión inercial.

La fusión nuclear es el proceso de fusionar dos núcleos atómicos más ligeros para crear uno más pesado, produciendo grandes cantidades de energía que alimentan el calor y la radiación de estrellas como el Sol. Durante décadas, los científicos han intentado lograr la fusión nuclear en laboratorios de la Tierra utilizando diversos conceptos. En diciembre de 2022, un experimento de fusión nuclear en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) de EE. UU. logró su primera ganancia neta de energía¹, lo que generó grandes esperanzas de abordar el dramático aumento del consumo de energía humana esperado en las próximas décadas. La fusión proporciona una fuente de energía segura y limpia que complementa la energía solar y eólica, y los ambiciosos objetivos para las plantas de energía de fusión han desencadenado importantes inversiones gubernamentales y asignaciones de capital privado en muchos países en los últimos años.

La fusión por confinamiento inercial (o láser) (ICF), que se utilizó en el NIF, promueve la fusión comprimiendo una mezcla de deuterio y tritio a presiones enormes (más de 100 veces la densidad de un sólido) con un láser de alta potencia. El combustible comienza como un sólido criogénico, se convierte en líquido, luego en gas y luego alcanza un estado de plasma denso y caliente donde comienzan las reacciones de fusión, que producen rápidamente grandes cantidades de energía en unos pocos picosegundos (millonésimas de segundo).

Desafío al plasma cuántico de alta densidad y la simulación ICF

Aunque la teoría y las simulaciones de plasmas de alta temperatura han logrado una comprensión casi completa de estos sistemas, ya que son relevantes para explicar las aplicaciones de la fusión magnética, por ejemplo, la situación es muy diferente para los plasmas de fusión confinados inercialmente. En este caso, las simulaciones fiables deben considerar simultáneamente numerosos efectos, como las interacciones entre el láser y la materia, la propagación de choques y las reacciones nucleares. Durante las etapas iniciales de la trayectoria de compresión, tanto el combustible de fusión como el ablador circundante deben pasar a través de la región 2 de materia densa cálida (WDM) de manera controlada, es decir, sin introducir fuertes faltas de homogeneidad que causen inestabilidad. Aunque los WDM combinan las propiedades bien conocidas de las fases sólida, líquida y plasmática de la materia, pero no son exactamente iguales a ninguna de ellas, son bastante notables por derecho propio y ocurren naturalmente en una amplia variedad de cuerpos celestes, incluidos los interiores de planetas gigantes, las atmósferas de estrellas enanas blancas y las capas exteriores de estrellas de neutrones. Desde una perspectiva teórica, su explicación teórica rigurosa es muy difícil3,4. Esto se debe a que es necesario comprender de manera integral las complejas interacciones de efectos como el acoplamiento de Coulomb entre electrones cargados y núcleos atómicos, los efectos de deslocalización y degeneración cuántica, las fuertes excitaciones térmicas e incluso la ionización parcial. Sin embargo, la apremiante necesidad de comprender estos estados extremos de la materia ha impulsado el desarrollo de una variedad de técnicas (para una descripción general completa, ver Vorberger, J. et al.²):

Modelos químicos Dinámica de fluidos por radiación Dinámica de fluidos cuántica Dinámica molecular (MD) semiclásica y de paquetes de ondas Modelos atómicos promediados Teoría funcional de densidad MD (DFT-MD)3, consulte la Figura 2 Simulaciones de Monte Carlo cuántico de nodo fijo DFT dependiente del tiempo (RPIMC)

Sin embargo, estas simulaciones se basan en varios supuestos y aproximaciones, que limitan su poder predictivo. Al mismo tiempo, los experimentos para crear y diagnosticar WDM están progresando dramáticamente en laboratorios de todo el mundo (por ejemplo, máquinas LCLS, NIF, Omega, Sandia Z en los Estados Unidos, Laser Megajoule, XFEL europeo, GSI/FAIR en Europa, SACLA, Shengguang-II en el este de Asia), lo que requiere teoría y simulación precisas. Un ejemplo importante es el instrumento de alta densidad de energía (HED) del XFEL europeo en Schönefeld, Alemania (posiblemente la fuente de rayos X más avanzada del mundo). Aquí, se pueden generar estados extremos de la materia utilizando dos sistemas láser ópticos de última generación (DiPOLE y ReLaX) operados por Helmholtz International Extreme Field Beamline (HIBEF, ver Figura 1). Combinada con XFEL, esta configuración permite experimentos repetibles de bomba y sonda para facilitar mediciones y diagnósticos con una precisión sin precedentes, proporcionando información única sobre el comportamiento de materiales densos y cálidos y más. El alto nivel de precisión que se puede lograr promediando potencialmente miles de disparos en secuencia impone exigencias igualmente fuertes a la descripción teórica correspondiente, lo que ha dado lugar a nuevos desarrollos en simulaciones de primeros principios (simulaciones basadas directamente en las ecuaciones fundamentales de la teoría cuántica) y nuevas metodologías sin modelos para interpretar experimentos.

Avances recientes en la simulación de primeros principios

La escasez de resultados teóricos confiables para plasmas cuánticos densos y cálidos ha cambiado dramáticamente con importantes avances en las simulaciones de primeros principios logrados por los autores y sus colaboradores. 2,6 En concreto, la lista de métodos ab initio incluye:

Simulaciones Monte Carlo de integral de trayectoria de fermiones para propiedades termodinámicas y espectrales⁷ (FPIMC, consulte la Figura 2) Monte Carlo integral de trayectoria constructiva (CPIMC) Implementación de funciones avanzadas (semilocales e híbridas) de correlación de intercambio de calor explícitas para DFT⁸ Implementación de métodos DFT estocásticos y de alta temperatura⁹ Ecuaciones cuánticas de movimiento mejoradas 10

Como buen ejemplo del impacto de estos avances, mencionamos los recientes experimentos de dispersión de rayos X con berilio fuertemente comprimido en NIF11. El análisis original basado en un modelo químico tradicional arrojó una densidad de masa de ⍴=34±4 g/cc, mientras que las nuevas simulaciones ab initio FPIMC y DFT-MD arrojaron de forma independiente y consistente un valor significativamente menor de ⍴=22±2 g/cc. ⁷ Véase la Figura 3. El círculo virtuoso entre la experimentación de vanguardia y la simulación sirve como un fuerte impulsor de nuevos desarrollos en ambas. El tremendo valor de los cálculos ab initio como punto de referencia para otros modelos se ilustra con más detalle en la Figura 4. Aquí mostramos el grado de ionización del carbono, un material ablador importante en los experimentos de ICF, en función de la densidad de masa en un entorno de alta temperatura.⁸ Claramente, los modelos y tablas de datos existentes divergen hacia una fuerte compresión, y no se requieren resultados confiables de DFT/PIMC para establecer una línea de base adecuada.

Al mismo tiempo, es importante reconocer importantes limitaciones que aún persisten. Estos nuevos métodos de alta precisión son muy costosos desde el punto de vista computacional y, por lo tanto, están limitados a períodos y escalas de tiempo cortos. Por lo tanto, los resultados más recientes en nanofísica de estado límite de WDM y materiales relacionados no son suficientes para explicar de manera integral la evolución temporal y espacial completa de los experimentos de ICF. Por el contrario, algunos de los métodos más simples y menos costosos desde el punto de vista computacional enumerados anteriormente son susceptibles de escala experimental, pero carecen de la confiabilidad y precisión necesarias.

Solución propuesta (Figura 5)

Se puede obtener una posible solución a este desafío combinando inteligentemente una variedad de simulaciones diferentes, como se propuso por primera vez en ⁶ y como estamos desarrollando. El punto de partida lo dan las simulaciones de Monte Carlo cuánticas de equilibrio, que son el método más preciso disponible. Puede usarse como un punto de referencia inexpugnable y puede usarse para mejorar otros métodos de primeros principios, especialmente la teoría funcional de la densidad. Este último es el enfoque más exitoso para cálculos a gran escala de propiedades de materiales ricos, como la ecuación de estado, la conductividad térmica y la opacidad. Estas características se ingresan como entrada para un método más simple (ver Figura 5), ​​lo que conduce a descripciones mejoradas de las aplicaciones ICF en escalas de tiempo y duración relevantes. Por otro lado, en la simulación de procesos de desequilibrio, el papel de punto de partida de los primeros principios lo asume la teoría cinética cuántica de desequilibrio⁹. Este concepto requiere el desarrollo paralelo de cada herramienta de simulación complementaria y, en última instancia, debería permitir simulaciones predictivas de ICF en un futuro próximo.

Referencias

Abu Shawareb, H. et al. (2024), Lograr una ganancia de objetivo mayor que la única en experimentos de fusión inercial, Phys. Pastor Rhett. 132, 065102 Vorberger, J. et al. (2026), Hoja de ruta para la física de la materia de densidad caliente, Física del plasma. control. Fusion, arXiv:2505.02494 Graziani, F. et al. (Eds.) (2014), Fronteras y desafíos en la materia densa y cálida, Springer Bonitz, M. et al. (2020), Simulaciones de primeros principios de materia densa y cálida, Phys. Plasmas 27, 042710 Dornheim, T. et al. (2022), Diagnóstico preciso de temperatura de materiales en condiciones extremas, Nature Commun. 13, 7911 Bonitz, M. et al. (2024), Simulaciones de primeros principios de hidrógeno denso, Phys. Plasmas 31, 110501 Dornheim, T. et al. (2025), Aclaración de correlaciones electrónicas en plasmas cuánticos densos y cálidos, Nature Commun. 16, 5103 Bethkenhagen, M. et al. (2020), Ionización de carbono a presión de gigabar: una perspectiva ab initio sobre plasmas densos astrofísicos, Phys. Rev. Res.², 023260 Fabian, MD et al. (2019), Teoría funcional de la densidad estocástica, WIREs Computational Molecular Science 9, e1412 Bonitz, M. (2016), Teoría cinética cuántica, 2.ª edición. Springer Döppner, T. et al. (2023), Observación del inicio de la deslocalización del caparazón K impulsada por la presión, Nature 618, 270-275.

Este artículo también se publicará en el número 25 de la revista trimestral.