Коллектив исследователей из Московского физико-технического института, Объединённого института высоких температур РАН, Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН, Университета Л’Акуилы (Италия) и НИУ ВШЭ подтвердил, что поведение проводящего флюида водорода при высоких давлениях подобно плазме. Понимание поведения водорода в критических условиях необходимо для исследований в области термоядерного синтеза, сверхпроводимости и получения представлений об устройстве планет-гигантов. Работа опубликована в The Journal of Chemical Physics.

Физики поставили перед собой задачу определить природу фазового перехода флюида водорода из молекулярной фазы в проводящую (металлическую). В 2020 году из теоретико-вычислительных работ стало известно, что при высоком давлении у водорода наблюдается аномальный рост диффузии. Однако из экспериментальных данных не получается определить коэффициенты диффузии и вязкости. А прямые ab initio расчёты затратны по вычислительным ресурсам и времени. Поэтому исследователи решили применить комбинацию методов машинного обучения и классической молекулярной динамики. Такой подход позволил получить точность ab initio расчётов и изучить динамические свойства флюида водорода в больших моделях.

«Для построения межатомного потенциала мы собрали данные ab initio расчётов: энергии и силы для разных конфигураций систем при различных температурах и плотностях. Наш соавтор Николай Щелкачёв из ИФВД РАН в режиме активного обучения отобрал конфигурации с наибольшей ошибкой предсказания и к ним провёл дополнительные расчёты для улучшения точности модели. На выходе у нас получился DeepMD-потенциал — функция энергии системы от координат всех атомов. Он воспроизводит результаты ab initio расчётов, но значительно быстрее», — объяснил Вячеслав Лукьянчук, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики, ассистент кафедры вычислительной физики МФТИ.

Разработанный потенциал сохраняет точность квантовых расчётов и на порядки ускоряет вычисления для большого числа частиц. Также он предоставляет данные о колебательных спектрах, коэффициентах диффузии и вязкостях в диапазонах температур и плотностей. С его помощью учёные впервые рассчитали вязкость плотного разогретого флюида водорода, что ранее было недоступно из-за больших затрат вычислительных ресурсов. Оказалось, что она значительно увеличивается при фазовом переходе, а затем снижается с дальнейшим ростом плотности. Это всё соответствует тенденциям, наблюдаемым в щелочных металлах, таких как литий.

«По данным наших расчётов оказалось, что при фазовом переходе вязкость флюида водорода значительно увеличивается, а затем спадает с дальнейшим ростом плотности», — рассказал Гинтарас Гляудялис, студент 4-го курса ЛФИ МФТИ.

«Мы разрабатываем идею о том, что вязкость флюида водорода при высоких давлениях может вести себя так же, как и у щелочных расплавов. Это будет проверено в наших будущих исследованиях», — рассказал Николай Кондратюк, исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ.

Расчёт подтверждает существование фазового перехода первого рода в жидком водороде, сопровождающегося резким изменением плотности, диффузии и вязкости. Результаты показывают значительное увеличение коэффициента диффузии при температурах 700, 800 и 900 К и соответствующих им плотностей фазового перехода. Такие изменения связаны с увеличением подвижности атомов, вызванное диссоциацией молекул водорода. Полученная картина сравнивалась с исследованиями теории функционала плотности и экспериментальными данными. Они демонстрируют согласованность, подтверждая эффективность разработанного потенциала для моделирования флюида водорода.

«Используемый подход универсален и подходит для широкого круга задач, где прямые квантовые расчёты слишком громоздки. Однако потенциал необходимо „обучать“ под конкретную задачу, собрав статистику ab initio расчётов», — комментирует Ильнур Саитов, сотрудник Университета Л’Акуилы.

«Мы планируем дальнейшее совершенствование модели, а именно: учёт квантовых ядерных эффектов, добавление большей статистики в обучающую выборку, расчёт для изотопов водорода и применение аналогичного подхода к другим водородсодержащим системам», — подытоживает Николай Кондратюк.

Источник: центр научных коммуникаций МФТИ.