Un truco computacional permite comprender mejor el estado exótico de la materia
Nuevo proceso relevante para la fusión y la investigación de materiales
Se encuentra en el interior de gigantes gaseosos como Júpiter y se crea brevemente durante impactos de meteoritos o en experimentos de fusión láser: materia densa caliente. Este exótico estado de la materia combina características de las fases sólida, líquida y gaseosa. Hasta ahora, simular con precisión la materia densa caliente se consideraba un gran reto. Un equipo internacional dirigido por investigadores del Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en Alemania y del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ha logrado describir este estado de la materia con mucha más precisión que antes utilizando un nuevo método computacional. Este método podría contribuir al avance de la fusión por láser y a la síntesis de nuevos materiales de alta tecnología. El equipo presenta sus resultados en la revista Nature Communications.
La materia densa caliente (WDM) se caracteriza por temperaturas que oscilan entre varios miles y cientos de millones de grados Kelvin y densidades que a veces superan las de los sólidos. "Tales condiciones pueden encontrarse, por ejemplo, en el interior de planetas gaseosos, en enanas marrones o en las atmósferas de enanas blancas", explica el Dr. Tobias Dornheim, jefe de grupo junior en CASUS y primer autor de la publicación. "En la Tierra, puede crearse durante impactos de meteoritos o, por ejemplo, en experimentos con potentes láseres".
WDM es de especial interés para la investigación de materiales. Por ejemplo, se pueden producir diamantes diminutos comprimiendo y calentando plásticos. La WDM también desempeña un papel fundamental en la investigación de la fusión, especialmente en la fusión por confinamiento inercial impulsada por láser que se estudia en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del LLNL. Aquí, una cápsula que contiene combustible de fusión -normalmente los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio- se calienta y comprime tan intensamente mediante bombardeo láser que los núcleos atómicos se fusionan, liberando energía. "Cuando la cápsula de fusión se dispara con láser, el hidrógeno pasa al estado de materia densa caliente", explica el Dr. Tilo Döppner, científico del LLNL que ha desempeñado un papel clave en numerosos experimentos de fusión en el NIF. "Para conseguir ganar energía en los experimentos de fusión, necesitamos entender el estado de materia densa caliente lo mejor posible".
Una solución al problema de los signos
Las simulaciones por ordenador pueden ayudar a describir la WDM. Sin embargo, las técnicas de simulación convencionales tienen sus limitaciones. "El problema es que WDM es un estado intermedio: ni sólido, ni líquido, ni plasma totalmente ionizado", explica el Dr. Maximilian Böhme, que obtuvo su doctorado en CASUS en 2024 y luego continuó su carrera científica como Lawrence Fellow en LLNL. "La mayoría de los modelos existentes implican una serie de aproximaciones y, por lo tanto, a menudo no logran alcanzar la precisión necesaria", dice Böhme.
La simulación integral de Monte Carlo (PIMC) sería un método preciso. En principio, permite una descripción mecánica cuántica completa del WDM, pero suele fallar debido al llamado problema de los signos: para calcular las propiedades de los materiales sin aproximaciones, hay que sumar las contribuciones respectivas de todos los electrones dentro de un material. Sin embargo, mientras los electrones están cargados negativamente, la función de onda utilizada para describir su estado cuántico oscila entre positivo y negativo. Estas contribuciones opuestas a la simulación PIMC pueden anularse mutuamente. Con cada partícula adicional en el sistema, el número de combinaciones de estas contribuciones "afectadas por el signo" relevantes para un cálculo preciso aumenta exponencialmente. Por eso, incluso los superordenadores más potentes del mundo a menudo sólo pueden calcular simulaciones PIMC para unas pocas partículas.
Aquí es donde Dornheim y su equipo intervinieron. "Introdujimos estadísticas de partículas imaginarias, que no son físicamente reales, pero ayudan a mitigar el problema de los signos", explica Dornheim. "Este truco computacional nos permitió aplicar por primera vez el método PIMC exacto a un material realista, en este caso el berilio".
Simulaciones y experimentos
Aquí es donde entran en juego los experimentos del LLNL, dirigidos por Döppner. En estos experimentos, las cápsulas de berilio se comprimieron más allá de 10 veces la densidad sólida y se calentaron utilizando los 192 rayos láser del NIF. Simultáneamente, se utilizaron potentes rayos X para examinar la diminuta muestra. Los rayos X dispersos revelaron lo denso y caliente que se volvió el material durante la compresión láser. "En el pasado se utilizaban modelos relativamente sencillos para analizar los datos de dispersión de rayos X", explica Dornheim. "Con nuestro nuevo método, ahora podemos determinar sin aproximaciones parámetros importantes como la densidad y la temperatura a partir de la señal de dispersión".
De hecho, el análisis reveló que la densidad de la muestra era inferior a la inferida con los modelos utilizados anteriormente. "Nuestros hallazgos son cruciales para la futura modelización del proceso de fusión del hidrógeno", subraya el Dr. Jan Vorberger, del Instituto de Física de las Radiaciones de la HZDR. "Las simulaciones anteriores de la compresión de la cápsula de fusión pueden estar basadas en suposiciones incorrectas. Nuestro método proporciona una herramienta de diagnóstico precisa para analizar los procesos con mayor exactitud." Además del diagnóstico, el nuevo método también podría utilizarse para obtener ecuaciones de estado, es decir, las relaciones entre presión, temperatura y energía. Estos datos son relevantes para el desarrollo de centrales de fusión, pero también para comprender los exoplanetas.
Experimento adicional previsto en el NIF
En otoño de 2025, el equipo tiene previsto realizar una nueva serie de experimentos en el NIF. "Queremos perfeccionar los diagnósticos y averiguar hasta qué punto es sensible nuestro método a pequeños cambios", explica Dornheim. En el futuro, los cálculos no sólo deberían explicar los datos existentes, sino también ayudar activamente a planificar y optimizar nuevos experimentos, por ejemplo, para el desarrollo de cápsulas de fusión más eficientes.
Investigadores de varias instituciones participaron en el estudio. Además del HZDR y el LLNL, participaron el Real Instituto de Tecnología (KTH) de Estocolmo (Suecia), la Universidad de Rostock, la Universidad Técnica de Dresde (ambas de Alemania), la Universidad de Warwick (Reino Unido) y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (EE.UU.).
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Publicación 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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