Представьте вещество, которое существует в недрах газовых гигантов вроде Юпитера, возникает на доли секунды при ударе метеорита или в экспериментах с лазерным термоядом — это теплая плотная материя (ТПМ).

Она сочетает свойства твердых тел, жидкостей и газов, но до сих пор ее точное моделирование оставалось сложной задачей.

Международная группа ученых из Центра изучения сложных систем (CASUS) в Германии и Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) разработала новый вычислительный метод, который позволяет описывать ТПМ с беспрецедентной точностью.

Их подход может ускорить исследования в области управляемого термоядерного синтеза и помочь в создании новых материалов.

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Что такое ТПМ

Это состояние материи при температурах от тысяч до миллионов градусов и плотностях, иногда превышающих плотность твердых тел. Оно встречается:

• В недрах газовых планет и коричневых карликов.
• В атмосферах белых карликов.
• В экспериментах с мощными лазерами, например, в Национальном комплексе зажигания (NIF) в США.

Почему это важно

ТПМ — ключевой этап в лазерном термояде. Когда капсула с дейтерием и тритием облучается лазерами, топливо проходит через состояние ТПМ, прежде чем начать реакцию синтеза.

Чтобы добиться энергетической выгоды, нужно досконально понимать это состояние, — объясняет Тобиас Дорнхайм, руководитель исследования.

Как решили проблему

Обычные методы моделирования давали приблизительные результаты, но команда применила квантовый метод Монте-Карло (PIMC), который обычно «спотыкается» о проблему знака — из-за квантовых эффектов расчеты становятся невероятно сложными.

Проблема знака — вычислительный «кошмар» в квантовой физике: при моделировании систем из многих частиц их волновые функции (описывающие состояние) могут давать положительные и отрицательные вклады, которые взаимно уничтожаются. Это делает точные расчеты невозможными даже для суперкомпьютеров.

Ученые использовали хитрый математический прием: ввели фиктивные частицы, которые помогли обойти ограничения. Это позволило впервые точно смоделировать ТПМ для бериллия.

Эксперименты подтвердили теорию

В NIF бериллиевые капсулы сжимали лазерами до плотности в 10 раз выше твердого состояния, а затем анализировали с помощью рентгеновского излучения. Раньше данные интерпретировали упрощенно, но новый метод показал: реальная плотность образца ниже, чем считалось.

Это меняет представления о сжатии термоядерных капсул, — говорит Ян Форбергер из HZDR.

Осенью 2025 года команда проведет новые эксперименты, чтобы уточнить метод.

В перспективе он поможет не только анализировать данные, но и проектировать более эффективные термоядерные установки.

Польза исследования

• Термояд ближе: точное описание ТПМ критично для инерционного управляемого синтеза — ошибки в моделях могут сводить на нет энергетический выход.
• Новые материалы: метод поможет синтезировать сверхтвердые вещества, например, наноалмазы, без гигантских давлений.
• Астрофизика: моделирование недр экзопланет станет точнее — это важно для поиска жизни и изучения эволюции звезд.

Метод пока работает только для бериллия — простого металла. Для водорода (основного топлива термояда) алгоритм потребует доработки: его квантовые свойства сложнее. Кроме того, расчеты даже с «фиктивными частицами» остаются ресурсоемкими — для промышленного применения нужны оптимизации.

Ранее ученые приблизились на шаг к коммерческому термоядерному синтезу.