• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
12.10.2022
ФизТех
1 992

В МФТИ впервые выполнили моделирование миллиона частиц

5.1

Ученые из МФТИ нашли математически обоснованное и вычислительно эффективное решение проблемы дальнодействия в плазме. Им впервые удалось выполнить моделирование взаимодействия миллиона частиц в такой системе.

Мощные штормы вокруг северного полюса Юпитера, запечатленные миссией НАСА «Юнона» / ©NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS, обработка изображения Брайаном Свифтом

Работа опубликована в журнале Physical Review E. По современным представлениям, более 99 процентов барионного вещества (таковым называется вещество, основой которого являются барионы — тяжелые элементарные частицы, включающие протоны и нейтроны, вместе называемые нуклонами, и ряд короткоживущих частиц, которые при распаде порождают протоны; все вещество, с которым мы имеем дело и из которого сами состоим, является барионным) во Вселенной представляет собой плазму в различных физических условиях, в том числе в экстремальных. Такие условия наблюдаются в центре Юпитера (для ионов водорода), в ядрах белых карликов (для ионов гелия, углерода и кислорода) и в коре нейтронных звезд (для ионов железа, например).

Для понимания происходящих там физических процессов ученые моделируют поведение частиц, из которых состоит плазма. Подобные экстремальные системы могут быть описаны как однокомпонентная плазма точечных ядер (ионов), заключенных в почти однородное море электронов или однородный нейтрализующий фон. С другой стороны, необходимо учитывать дальнодействующее кулоновское взаимодействие между ионами. Это вызывает значительные трудности при численном моделировании.

Решение этой проблемы было предложено Паулем Эвальдом еще в 1921 году, но метод оказался весьма трудоемким даже для современных компьютеров. По этой причине даже в такой простейшей модели плазмы численное моделирование до недавнего времени производилось не более чем для десятков тысяч частиц, а первый расчет в 1966 году включал в себя не более нескольких сотен. Однако точность получаемых физических свойств зависит от числа частиц, рассмотренных в расчете: чем их больше, тем более точным является предсказание макроскопических свойств плазмы.

Физики МФТИ впервые выполнили моделирование однокомпонентной плазмы с миллионом частиц. Они решили эту задачу, получив новое аналитическое выражение для потенциала Эвальда, усредненного по всем направлениям. Расчеты проводились на суперкомпьютере ОИВТ РАН.

Георгий Демьянов, аспирант Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ, рассказывает: «Полученные результаты хорошо согласуются как с теоретическими данными, так и с предыдущими численными расчетами. Найденный нами метод оказался очень эффективным: скорость расчета получилась как минимум на два порядка выше расчетов с традиционным потенциалом Эвальда.

Этот результат играет большую роль в астрофизике. Ученых интересуют прежде всего свойства в термодинамическом пределе. Это значит, что результат применим к макроскопическим системам. Мы считаем, что расчет с миллионом частиц решает данную проблему и позволяет получить финальный результат с любой заданной точностью».

Павел Левашов, заместитель заведующего кафедрой физики высокотемпературных процессов МФТИ, дополняет: «Разработанный нами метод позволит уточнить имеющиеся свойства классической однокомпонентной плазмы, например точно рассчитать ее параметры плавления». Кроме того, метод может быть применим к аналогу однокомпонентной плазмы в квантовой механике (модель «желе», введенная Юджином Вигнером в 1938 году).

Взаимодействие частиц в этой системе устроено аналогично однокомпонентной плазме. Моделирование такой системы позволяет узнать отличие точной энергии многочастичной системы от энергии, рассчитанной одночастичным методом Хартри. Эта энергия называется обменно-корреляционным функционалом и широко используется при расчетах методом функционала плотности.

Павел Левашов утверждает: «Результаты работы открывают перспективы увеличения числа частиц при моделировании квантовой однокомпонентной плазмы, что представляет большой интерес для разработки новых обменно-корреляционных функционалов с явной зависимостью от температуры».  

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 07:30
Полина

В Российской академии наук завершили первый Большой словарь ударений, его издадут к концу года. Лингвисты собрали наиболее современные нормы произношения привычных слов и зафиксировали ударение для лексики, которая появилась в русском языке недавно.

Позавчера, 10:02
Игорь Байдов

В эпоху глобального потепления, обусловленного ростом содержания парниковых газов в атмосфере, могут возникать и обратные явления, когда происходит эффект охлаждения или антипарниковый эффект. Например, его наблюдали в Антарктиде. Это означает, что ситуация с региональными последствиями глобального потепления может оказаться менее однозначной, чем ожидалось — и то, что повышает температуры в одном месте, способно снижать в другом.

Вчера, 12:26
ПНИПУ

Стоит ли готовить на поцарапанной сковородке и как связаны алюминиевая кастрюля, плохая вода и камни в почках? Какой срок службы у кухонной доски и безопасны ли для экологии биоразлагаемые контейнеры? О материалах для посуды рассказали ученые Пермского Политеха.

Вчера, 07:30
Полина

В Российской академии наук завершили первый Большой словарь ударений, его издадут к концу года. Лингвисты собрали наиболее современные нормы произношения привычных слов и зафиксировали ударение для лексики, которая появилась в русском языке недавно.

16 февраля
Мария Азарова

Целью нового исследования было понять, какие бактерии полости рта отвечают за продукцию метантиола, или метилмеркаптана — бесцветного токсичного газа с сильным и неприятным запахом, напоминающим зловоние гнилой капусты.

18 февраля
Даниил Сухинов

Американские исследователи придумали новый способ борьбы одновременно с пластиковыми и пищевыми отходами. Они создали замену пластиковым упаковочным пленкам, использовав банановую кожуру. Новый материал по качеству не уступает привычному пластику, но разлагается в почве в сотни раз быстрее.

1 февраля
Андрей

Канадские исследователи изучили состав пород, вышедших на поверхность при появлении первых континентов. По итогам анализа выяснилось, что новая земная кора возникла не в результате движения тектонических плит, а из-за процессов в океанических плато молодой Земли.

23 января
Алиса Гаджиева

Авторы нового исследования рассказали, какой из современных напитков надо попробовать, чтобы почувствовать себя жителем Римской империи.

15 февраля
Дарья Губина

Титан — самый органически богатый спутник с глобальным океаном в Солнечной системе. И все же, сопоставив строение его поверхности с интенсивностью падения метеоритов, ученые пришли к выводу, что в океане спутника Сатурна вряд ли хватает элементов для жизни.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: