Novo método acelera em 50 vezes simulações de raios X para matéria extrema

Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), na Alemanha, desenvolveram um procedimento que acelera em até 50 vezes as simulações computacionais usadas para analisar a matéria em condições extremas. O avanço, publicado na revista npj Computational Materials, promete revolucionar a interpretação de experimentos em grandes instalações como o European XFEL, com impactos diretos na pesquisa de fusão nuclear e na astrofísica de laboratório.

A matéria em estados extremos, como a encontrada no interior de estrelas ou de gigantes gasosos, pode ser recriada em laboratório por meio de experimentos de fusão a laser. Nesses processos, pulsos de laser comprimem e aquecem uma pequena esfera de hidrogênio até que os núcleos atômicos se fundam, liberando energia que poderá um dia abastecer usinas elétricas limpas e praticamente inesgotáveis.

Para compreender exatamente o que ocorre nessas condições, os cientistas utilizam o espalhamento de raios X, no qual um feixe de alta intensidade atravessa a amostra e gera um sinal que carrega informações sobre densidade e temperatura. No entanto, os dados experimentais sozinhos raramente são suficientes para determinar essas propriedades de forma inequívoca, exigindo modelos teóricos complementares.

É aí que entram as simulações computacionais, como a teoria do funcional de densidade dependente do tempo, reconhecida por sua precisão, mas extremamente custosa em termos de poder de processamento. Em altas temperaturas, muitos estados quânticos precisam ser considerados simultaneamente, e artefatos numéricos indesejados podem distorcer os resultados, segundo explicou o físico Dr. Tobias Dornheim, chefe do departamento de alta densidade de energia do Instituto de Física de Radiação do HZDR.

A nova técnica contorna esse gargalo ao empregar uma transformação matemática para o chamado ‘tempo imaginário’, conceito da mecânica quântica intimamente relacionado à temperatura do sistema. O método, idealizado pelo colega Dr. Zhandos Moldabekov, combina um teste de convergência confiável com um procedimento de filtragem que remove oscilações artificiais sem distorcer a informação física relevante.

Em testes práticos, as simulações rodaram cinquenta vezes mais rápido do que antes, preservando detalhes cruciais do espectro. Isso significa que, em vez de conduzir apenas algumas simulações em supercomputadores caros, agora é possível realizar varreduras paramétricas abrangentes e interpretar os dados experimentais com precisão sem precedentes.

A principal área de aplicação está nos experimentos do consórcio HIBEF, coordenado pelo HZDR no European XFEL, onde a matéria é submetida a condições análogas às da fusão a laser. ‘Se quisermos ter uma usina de fusão, precisamos entender o que realmente acontece nesses estados extremos’, enfatizou Dornheim, destacando que a nova ferramenta permitirá análises completas e confiáveis dos conjuntos de dados.

Além da fusão, a técnica abre perspectivas para a astrofísica de laboratório ao recriar as condições do interior profundo de planetas, onde a matéria é comprimida por pressões imensas e aquecida a temperaturas altíssimas. Outras propriedades dos materiais, como condutividade elétrica e capacidade de absorver radiação, também podem ser calculadas de forma mais rápida e precisa com esse método.

A expectativa dos pesquisadores é que a abordagem se torne uma ferramenta padrão na interpretação de experimentos modernos com raios X, desempenhando um papel central na exploração dos estados extremos da matéria. Com a aceleração computacional alcançada, barreiras que antes limitavam o avanço científico começam a cair, abrindo caminho para descobertas fundamentais tanto na Terra quanto no cosmos.

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