Les chercheurs ont modélisé les actions des électrons sous des températures et des densités extrêmes, tels que ceux trouvés dans les planètes et les étoiles.

Les travaux pourraient fournir des informations sur le comportement de la matière dans les expériences de fusion, qui pourrait un jour déboucher sur une source d'énergie propre recherchée.

Les électrons sont une composante élémentaire de notre monde et déterminent de nombreuses propriétés des solides et des liquides. Ils transportent également du courant électrique, sans quoi notre environnement high-tech avec les smartphones, les ordinateurs et même les ampoules électriques ne seraient pas possibles.

Malgré leur omniprésence, les scientifiques n'ont pas encore été en mesure de décrire avec précision le comportement d'un grand nombre d'électrons en interaction.

Cela est particulièrement vrai à des températures et des densités extrêmes, comme à l'intérieur des planètes ou dans les étoiles, où les électrons forment une "matière dense chaude". Les scientifiques ont le choix entre de nombreux modèles approximatifs, mais peu d'idée de leur exactitude ou de leur fiabilité.

Maintenant, une équipe de recherche composée de groupes de l'Imperial College de Londres, Université de Kiel, et Los Alamos et Lawrence Livermore National Laboratories aux États-Unis, a réussi à décrire les électrons dans ces conditions extrêmes au moyen de simulations précises.

Les résultats de leurs recherches, qui résolvent un problème de physique vieux de plusieurs décennies, sont publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

Cinq ans et trois pays

Professeur Matthew Foulkes, du Département de physique de l'Impériale, a déclaré :« Il a fallu cinq ans et une équipe de scientifiques de trois pays pour développer les nouvelles techniques nécessaires pour décrire avec précision la matière dense chaude.

"Maintenant, enfin, nous sommes en mesure de réaliser des simulations précises et directes des intérieurs planétaires; solides sous irradiation laser intense; catalyseurs activés par laser; et d'autres systèmes denses chauds.

"C'est le début d'un nouveau domaine de la science informatique."

Comment les électrons se comportent à « grande échelle » - par exemple la relation entre la tension électrique, résistance et courant - est souvent facile à décrire. Au niveau microscopique, cependant, les électrons dans les liquides et les solides se comportent différemment, selon les lois de la mécanique quantique.

Ces électrons se comportent comme un "gaz" de mécanique quantique, qui ne peut être compris qu'en résolvant les équations mathématiques compliquées de la théorie quantique.

Matière dense chaude

Autrefois, les simulations n'ont pu décrire le gaz d'électrons qu'à très basse température. Récemment, cependant, il y a eu un intérêt croissant pour la matière dans des conditions extrêmes - dix mille fois plus chaudes que la température ambiante et jusqu'à cent fois plus denses que les solides conventionnels.

Dans la nature, cette matière chaude et dense se produit à l'intérieur des planètes, y compris le noyau terrestre. Il peut également être créé expérimentalement en laboratoire, par exemple par tir ciblé de matière solide avec un laser de haute intensité, ou avec un laser à électrons libres comme le nouveau XFEL européen à Hambourg.

La matière dense chaude est également pertinente pour les expériences de fusion par confinement inertiel, où les pastilles de combustible sont soumises à une pression extrême. Cela peut provoquer des réactions en chaîne qui pourraient fournir une source pratiquement illimitée d'énergie propre à l'avenir.

Les théories antérieures du comportement de la matière chaude et dense utilisaient des modèles basés sur des approximations difficiles à vérifier. Cependant, en utilisant des simulations informatiques sophistiquées dans ce dernier travail, les physiciens sont désormais capables de résoudre avec précision les équations complexes qui décrivent le gaz d'électrons.

Améliorer les modèles de 40 ans

L'équipe a réalisé la première description complète et finale des propriétés thermodynamiques des électrons en interaction dans la gamme de la matière dense chaude. le professeur Michel Bonitz, professeur de physique théorique et responsable de l'équipe de recherche de Kiel, a déclaré : « Ces résultats sont les premières données exactes dans ce domaine, et portera notre compréhension de la matière à des températures extrêmes à un nouveau niveau."

"Entre autres choses, les modèles existants, vieux de 40 ans, peuvent désormais être revus et améliorés pour la première fois."

L'équipe espère que les vastes ensembles de données et formules construits dans le projet seront importants pour la comparaison avec les expériences et apporteront une contribution à d'autres théories, aider d'autres scientifiques dans leurs recherches.