Исследователи установили, что поведение проводимого флюида водород при большом давлении напоминает. плазмеДля изучения термоядерного синтеза, сверхпроводимости и строения газовых гигантов важно знать, как ведёт себя водород в экстремальных ситуациях. опубликована в журнале The Journal of Chemical Physics.
На левой стороне показана визуализация модели водорода, а на правой — зависимость коэффициента диффузии от плотности при разных температурах по данным из исследований. Cheng et al. 2020 (красным цветом) и Bund et al. 2021 Результаты исследования представлены внизу. При температурах 700, 800 и 900 K коэффициент диффузии резко увеличивается, что указывает на разрыв молекулярных связей и повышение подвижности атомов. При температуре 1100 K скачок коэффициента диффузии отсутствует, что свидетельствует о превышении критической точки (отмечена синей звездочкой).
Физик изучают суть природы. фазового перехода Переход жидкости водорода из молекулярного состояния в проводящее. металлическуюВ 2020 году теоретико-вычислительные работы показали, что при высоком давлении водород демонстрирует необычный рост диффузии. Эксперементальные данные пока не позволяют … коэффициенты диффузии и вязкости. А прямые ab initio Расчёты трудоёмки по вычислительным ресурсам и времени, поэтому исследователи выбрали комбинированный метод – машинное обучение и классическую молекулярную динамику. Благодаря такому подходу удалось достичь высокой точности. ab initio Проанализировать расчеты и изучить динамику свойств жидкости водород в масштабных моделях.
С целью разработки межъядерного потенциала использовались собранные данные. initio Вычисления энергии и сил для различных системных конфигураций при разных температурах и плотности. Наш соавтор Николай Щелкачев (ИФВД РАН) в режиме активного обучения Выбрал конфигурации с наибольшей ошибкой предсказания и провел для них дополнительные расчеты, чтобы повысить точность модели. В итоге получилось DeepMD. -потенциал — Функция, определяющая энергию системы, рассчитывается по координатам всех атомов. Её результат совпадает с… ab initio расчетов, но значительно быстрее», — пояснил Вячеслав Лукьянчук, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики, ассистент кафедры вычислительной физики МФТИ.
Разработанный потенциал сохраняет точность квантовых расчетов и ускоряет вычисления для большого числа частиц на порядки. Также он предоставляет данные о колебательных спектрах, коэффициентах диффузии и вязкостях в разных диапазонах температур и плотностей. С его помощью ученые впервые рассчитали вязкость плотного разогретого флюида водорода, что ранее было невозможно из-за больших затрат вычислительных ресурсов. Полученные результаты показывают, что она значительно увеличивается при фазовом переходе, а затем снижается с дальнейшим ростом плотности. Это соответствует тенденциям, наблюдаемым в щелочных металлах, например, литии.
Наши расчеты показали, что при фазовом переходе вязкость жидкости водород сначала возрастает, а затем снижается при увеличении плотности. — сообщил Гинтарас Гляудялис, обучающийся на четвёртом курсе ЛФИ МФТИ.
Разрабатывается идея, что вязкость жидкости водород при высоких давлениях может быть подобной вязкости щелочных расплавов. Николай Кондратюк, исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ, поведал об этом.
Расчет подтверждает существование фазового перехода первого рода В жидком водороде при резких изменениях плотности, диффузии и вязкости наблюдается значительное увеличение коэффициента диффузии при температурах 700, 800 и 900 К, соответствующих им плотностям фазового перехода. Это связано с увеличением подвижности атомов, вызванным диссоциацией молекул водорода. Полученные результаты сравнивались с данными исследований. теории функционала плотности Экспериментальные данные показывают согласованность, подтверждая эффективность разработанного потенциала для моделирования флюида водорода.
Предложенный метод применим ко многим задачам, в которых прямые вычисления с помощью квантовых компьютеров оказываются сложными. Для эффективной работы его нужно настроить для каждой задачи, собирая соответствующую информацию. initio «Это касается расчётов», — говорит Ильнур Саитов, представитель Университета Л’Акуилы.
Планируется совершенствование модели путем учета квантовых ядерных эффектов, увеличения объёма статистических данных в обучающей выборке, расчёта для изотопов водорода и применения подобного подхода к другим системам, содержащим водород. , — подытоживает Николай Кондратюк.
В исследовании приняли участие учёные Московского физико-технического института, Объединённого института высоких температур РАН, Института физики высоких давлений РАН, университета Л’Акуилы и Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».
Фотографии и информация предоставил Центр научной коммуникации МФТИ.