L'étude de la matière chaude et dense nous aide à comprendre ce qui se passe à l'intérieur des planètes géantes, naines brunes, et les étoiles à neutrons. Cependant, cet état de la matière, qui présente des propriétés à la fois des solides et des plasmas, ne se produit pas naturellement sur Terre. Il peut être produit artificiellement en laboratoire à l'aide de grandes expériences aux rayons X, mais seulement à petite échelle et pour de courtes périodes. Des modèles théoriques et numériques sont indispensables pour évaluer ces expériences, qui sont impossibles à interpréter sans formules, algorithmes, et des simulations. Les scientifiques du Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont maintenant développé une méthode pour évaluer de telles expériences plus efficacement et plus rapidement qu'auparavant.

Décrire l'état exotique de la matière dense chaude pose un défi extraordinaire aux chercheurs. Pour un, les modèles courants de la physique des plasmas ne peuvent pas gérer les densités élevées qui prévalent dans cet état. Et pour un autre, même les modèles de la matière condensée ne sont plus efficaces sous les immenses énergies qu'elle entraîne. Une équipe autour du Dr Tobias Dornheim, Dr Attila Cangi, Kushal Ramakrishna, et Maximilian Böhme de CASUS à Görlitz travaillent sur la modélisation de ces systèmes complexes. Les premiers résultats ont été récemment publiés dans la revue Lettres d'examen physique . L'équipe s'est associée au Dr Jan Vorberger de l'Institut de physique des rayonnements du HZDR et au professeur Shigenori Tanaka de l'Université de Kobe au Japon pour développer une nouvelle méthode permettant de calculer les propriétés de la matière dense chaude plus efficacement et plus rapidement.

"Avec notre algorithme, nous pouvons effectuer des calculs très précis de la correction de champ local, qui décrit l'interaction des électrons dans la matière dense chaude et nous permet ainsi de débloquer ses propriétés. Nous pouvons utiliser ce calcul pour modéliser et interpréter les résultats dans les futures expériences de diffusion des rayons X, mais aussi comme base pour d'autres méthodes de simulation. Notre méthode permet de déterminer les propriétés de la matière dense chaude, comme la température et la densité, mais aussi sa conductivité pour le courant électrique ou thermique et bien d'autres caractéristiques, ", explique Dornheim.

Ordinateurs centraux et réseaux de neurones

"La motivation derrière notre méthode est que nous et de nombreux autres chercheurs aimerions savoir exactement comment les électrons se comportent sous l'influence de petites perturbations, comme l'effet d'un faisceau de rayons X. Nous pouvons dériver une formule pour cela, mais c'est trop complexe pour être résolu avec un crayon et du papier. C'est pourquoi nous avons précédemment eu recours à une certaine simplification, lequel, cependant, n'a pas montré d'effets physiques importants. Nous avons maintenant introduit une correction qui supprime ce défaut même, " Dornheim continue.

Pour le mettre en œuvre, ils ont effectué des simulations informatiques intenses sur des millions d'heures de processeur sur des ordinateurs centraux. Sur la base de ces données et à l'aide de méthodes statistiques analytiques, les scientifiques ont formé un réseau de neurones pour prédire numériquement l'interaction des électrons. Les gains d'efficacité fournis par le nouvel outil dépendent de l'application particulière. "En général, bien que, on peut dire que les méthodes précédentes nécessitaient des milliers d'heures de processeur pour atteindre un haut degré de précision, alors que notre méthode ne prend que quelques secondes, " dit Attila Cangi, qui a rejoint CASUS en provenance des Sandia National Laboratories aux États-Unis. "Alors maintenant, nous pouvons effectuer la simulation sur un ordinateur portable alors que nous avions besoin d'un supercalculateur."

Outlook :un nouveau code standard pour l'évaluation des expériences

Pour le moment, le nouveau code ne peut être utilisé que pour les électrons dans les métaux, par exemple dans des expériences sur l'aluminium. Cependant, les chercheurs travaillent déjà sur un code qui peut être appliqué plus généralement et qui devrait fournir des résultats pour une grande variété de matériaux dans des conditions très différentes à l'avenir. "Nous voulons intégrer nos découvertes dans un nouveau code, qui sera open source, contrairement au code actuel, qui est licencié et donc difficile à adapter aux nouvelles connaissances théoriques, " explique Maximilian Böhme, un étudiant au doctorat avec CASUS qui collabore à ce sujet avec le physicien britannique des plasmas Dave Chapman.

De telles expériences aux rayons X pour étudier la matière dense chaude ne sont possibles que dans une poignée de grands laboratoires, dont le XFEL européen près de Hambourg, Allemagne, mais aussi la source de lumière cohérente linéaire (LCLS) du Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) de l'université de Stanford, le National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory, la machine Z des laboratoires nationaux Sandia, et le LAser à électrons libres SPring-8 Angstrom Compact (SACLA) au Japon. « Nous sommes en contact avec ces laboratoires et espérons pouvoir participer activement à la modélisation des expériences, " révèle Tobias Dornheim. Les premières expériences à la ligne de faisceau internationale Helmholtz pour les champs extrêmes (HIBEF) au XFEL européen sont déjà en préparation.