Copyright HZDR / A. Garb

Czym jest ciepła gęsta materia? Dlaczego warto ją badać i jakie przyniesie to efekty? Zapraszamy do lektury rozmowy z laureatem Lem Prize 2024 dr. Tobiasem Dornheimem z Centrum Badań Zaawansowanego Rozumienia Systemów CASUS (Center for Advanced Systems Understanding) przy Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Michał Ciepielski: Tematyka Pana badań nie jest prosta, jednak spróbujmy ją wytłumaczyć. 

Dr Tobias Dornheim: Moja grupa naukowa opracowuje i wykorzystuje zaawansowane metody obliczeniowe do opisu kwantowych układów wielociałowych. Głównym celem jest dokładny opis tzw. ciepłej gęstej materii. 

Czym jest ta materia i gdzie występuje? 

Przede wszystkim charakteryzuje się wysokimi temperaturami, gęstościami oraz ciśnieniami i występuje w wielu różnych obiektach astrofizycznych, w tym we wnętrzach planet olbrzymów, brązowych karłach i zewnętrznej warstwie gwiazd neutronowych. Ponadto odgrywa ważną rolę w zastosowaniach technologicznych, zwłaszcza w nauce o materiałach i energii bezwładnościowej syntezy jądrowej, tj. fuzji laserowej. 

Szczególną cechą ciepłej gęstej materii jest złożona interakcja efektów, takich jak przyciąganie i odpychanie kulombowskie między elektronami i jądrami, częściowa jonizacja, degeneracja kwantowa i silne wzbudzenia termiczne. Holistyczne traktowanie tego stanu jest trudne nawet dla najnowocześniejszych metod wyprowadzających właściwości materiałów wyłącznie z podstawowych równań mechaniki kwantowej. To nierozwiązane wyzwanie stwarza potrzebę opracowania nowych metodologii. 

To właśnie za badania nad ciepłą gęstą materią i fizyką wysokiej gęstości energii otrzymał Pan Europejską Nagrodę im. Stanisława Lema. Proszę powiedzieć, jakie są cechy charakterystyczne tych badań i jaki jest ich cel? 

Ze względu na znaczenie dla modelowania obiektów astrofizycznych i zastosowań technologicznych ciepła gęsta materia jest obecnie rutynowo wytwarzana w dużych ośrodkach badawczych w Europie (np. European XFEL w Niemczech), Ameryce Północnej (np. National Ignition Facility w Livermore, USA) i Azji Wschodniej (np. SACLA w Japonii). 

Kluczowym wyzwaniem jest tutaj rygorystyczna diagnostyka, która jest utrudniona nie tylko przez ekstremalne warunki, ale także przez ultrakrótkie skale czasowe (~ns-fs) odpowiadających im eksperymentów. Nawet podstawowych parametrów, takich jak temperatura, nie można było zmierzyć bezpośrednio, ale zostały one wywnioskowane pośrednio poprzez dopasowanie modeli teoretycznych do obserwacji eksperymentalnych. W konsekwencji wywnioskowane warunki eksperymentalne zależały od szeregu założeń i przybliżeń modelu, co czyni ich jakość niejasną.  

W ramach moich badań przedstawiłem nowe ramy dla diagnostyki bezmodelowej ciepłej gęstej materii przy użyciu pomiarów rozpraszania Thomsona promieni rentgenowskich. W rezultacie możemy bezpośrednio wnioskować kluczowe parametry, takie jak temperatura, z eksperymentu bez potrzeby jakichkolwiek modeli lub przybliżeń. Jest to bardzo ważne dla diagnostyki zastosowań fuzji laserowej, ale także dla astrofizyki laboratoryjnej i nauki o materiałach.

W 2022 r. otrzymał Pan prestiżowy ERC Starting Grant. Prowadzone w jego ramach badania mają potencjał, aby odpowiedzieć na wiele kluczowych pytań w dziedzinie ciepłego gęstego wodoru i innych pierwiastków. Na jakim etapie jest obecnie ten projekt? 

W ciągu pierwszych dwóch lat projektu opracowaliśmy nowe możliwości symulacji Monte Carlo (PIMC) bez aproksymacji całki ścieżkowej ciepłej gęstej materii. W szczególności stało się możliwe symulowanie lekkich pierwiastków (obecnie wodór i beryl) o niespotykanym dotąd rozmiarze układu. Te nowe możliwości pozwoliły nam przedstawić szereg ważnych wyników, w tym pierwsze dokładne wyniki dla odpowiedzi gęstości i jądra korelacji wymiany ciepłego gęstego wodoru.  

Ponadto połączyliśmy konfigurację PIMC z naszym bezmodelowym frameworkiem do interpretacji eksperymentów rozpraszania promieni rentgenowskich, co dało nowe i ważne spostrzeżenia na temat eksperymentu implozji sferycznej przeprowadzonego w National Ignition Facility (NIF) w Livermore. Implikacje tych ustaleń zostaną zbadane dalej w projekcie Discovery Science w NIF jeszcze w tym roku.  

Od kwietnia 2025 r. projekt ERC wszedł w drugą fazę, a do naszej grupy dołączył dodatkowy doktorant i postdoc. Naszym celem będzie opracowanie fundamentalnego rozwiązania najbardziej pilnego „wąskiego gardła” obliczeniowego w PIMC. Jest to trudne przedsięwzięcie, ale jesteśmy przekonani, że możemy je zrealizować. 

Co uważa Pan za swoje największe osiągnięcie do tej pory?  

Myślę, że jest to zastosowanie „egzotycznej” koncepcji funkcji korelacji w czasie urojonym do pomiarów eksperymentalnych uzyskanych w świecie rzeczywistym — co stanowi sedno ram diagnostyki bezmodelowej. Z pewnością miało to największy wpływ praktyczny, ponieważ zostało już zaadaptowane w wielu ośrodkach badawczych oraz przez grupy naukowe w Europie, USA i Chinach. 

Jakie ma Pan plany zawodowe na najbliższą i dalszą przyszłość? 

W tej niedalekiej przyszłości planuję zająć się ze swoją grupą badawczą pracami nad ciepłą gęstą materią. W szczególności chcę kontynuować opracowywanie nowych metod i szerokie stosowanie tych metod do rozwiązywania bieżących problemów. 

W bardziej odległej perspektywie zamierzam natomiast zastosować nasze możliwości symulacyjne do wielu innych kwantowych układów wielociałowych poza ciepłą gęstą materią. W tym względzie przychodzą mi na myśl ultrazimne atomy, takie jak hel, gdzie nasze metody prawdopodobnie pomogą rozwiązać szereg problemów. 

Copyright HZDR / A. Garb

Czy zna Pan twórczość literacką Stanisława Lema? Może niektóre z jego dzieł szczególnie zapadły Panu w pamięć lub okazały się przydatne w życiu lub karierze akademickiej? 

Pierwszy raz zetknąłem się ze Stanisławem Lemem jako młody dorosły, oglądając niemiecką adaptację, której bohaterem był Ijon Tichy i bardzo mnie poruszyła. Od tamtej pory przeczytałem dwie jego powieści, które również mi się spodobały. Niedawno odświeżyłem sobie „Niezwyciężonego” i jestem pod wrażeniem, jak bardzo jego implikacje pokrywają się z obecnymi debatami na temat potencjalnych zagrożeń sztucznej inteligencji. Przypomina mi się np. niesławny „maksymalizator spinaczy”. 

Nie jest to pierwsza Pana wizyta w naszym kraju, a i współpraca z polskimi naukowcami też nie jest Panu obca. 

Od 2020 roku regularnie bywam w Görlitz w Centrum Zaawansowanego Rozumienia Systemów (CASUS), które znajduje się pięć minut spacerem od granicy z Polską. W związku z tym mam wielu polskich kolegów i byłem tutaj niezliczoną ilość razy. CASUS został utworzony jako niemiecko-polski instytut i mamy bliskie powiązania z Uniwersytetem Wrocławskim, który również odwiedziłem kilka razy w ciągu ostatnich lat. Doprowadziło to do trwającej współpracy z prof. Davidem Blaschke z Wrocławia, która już zaowocowała publikacjami. 

Jak lubi Pan spędzać wolny czas? Czy ktoś, kto codziennie prowadzi zaawansowane badania naukowe, ma czas na hobby? 

Uważam, że planowanie wystarczającej ilości wolnego czasu jest konieczne, aby zachować wymagany poziom energii i entuzjazmu, jakich wymagają badania naukowe. Osobiście jestem zapalonym czytelnikiem, więc proszę być pewnym tego, że znaczna część przyznanej mi nagrody zostanie odpowiednio zainwestowana. Ponadto lubię piesze wędrówki i podróże. To jest coś, co mnie relaksuje.